EP2401228A1 - Production of iron orthophosphate - Google Patents

Production of iron orthophosphate

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EP2401228A1
EP2401228A1 EP10707487A EP10707487A EP2401228A1 EP 2401228 A1 EP2401228 A1 EP 2401228A1 EP 10707487 A EP10707487 A EP 10707487A EP 10707487 A EP10707487 A EP 10707487A EP 2401228 A1 EP2401228 A1 EP 2401228A1
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EP
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iron
iii
orthophosphate
solution
ppm
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EP10707487A
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Gunnar BÜHLER
Kilian Schwarz
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Chemische Fabrik Budenhiem KG
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Chemische Fabrik Budenhiem KG
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    • C01B25/37Phosphates of heavy metals
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Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of iron (III) orthophosphate with particularly high purity, an iron (III) orthophosphate prepared by the process and its use for the production of LiFePO 4 cathode material for Li-ion accumulators, as dietary supplement for mineral enrichment as well as molluscicide.
  • Iron phosphates are used in many areas, for. As a dietary supplement or as a food additive for mineral enrichment, as an active ingredient in molluscicides, in the ceramics industry or as a raw material for the production of LiFePO 4 cathode material for Li ion batteries.
  • Each field of application makes individual demands on the iron phosphate, wherein in some applications, in particular, the chemical purity is of particular importance.
  • the morphology or the particle fineness of the iron phosphate has a critical importance for the success of the application, eg. When considering bioavailability for organisms.
  • Rechargeable Li-ion batteries are widely used energy storage, especially in the field of mobile electronics, as the Li-ion battery is characterized by a high energy density and can deliver a high rated voltage of 3.7 volts, so that the Li-ion battery at comparable performance is significantly smaller and lighter than conventional accumulators.
  • cathode materials spinels such as LiCo ⁇ 2 , LiNiO 2 , LiNi 1-x Co x ⁇ 2 and LiMn n O 4 have been established.
  • LiFePO 4 was developed as a cathode material. This material features better performance, higher specific capacity and high thermal stability during operation.
  • a starting material for the production of LiFePO 4 for lithium-ion accumulators is ice northophosphate, the purity and structure or morphology of which significantly influences the quality of the cathode material produced therefrom.
  • iron (III) orthophosphate uses FeSO 4 and FeCb as starting materials or raw materials, but also organometallic precursor compounds, such as FeC 2 O 2 (Gmelin's Handbook of Inorganic Chemistry, Part B Iron, pages 773 et seq., US Pat. C. Delacourt et al., Chem. Mater., 2003, 15, 5051-5058; Zhicong Shi et al., Electrochemical and Solid State Letters 2005, 8, A396-A399).
  • the phosphorus or phosphate component is introduced in these starting materials via a phosphate salt or phosphoric acid.
  • transition metals that were originally contained in the raw materials used such as FeSO 4 or FeCl 3 can not be easily separated or washed out in general, since they also form sparingly soluble phosphate salts in general and crystallize together with the desired iron phosphate.
  • WO 02/30815 describes a process for the preparation of LiFePO 4 from iron phosphate and lithium, wherein an iron oxide is dissolved in 85% phosphoric acid with heating to produce the iron phosphate. The solution is then diluted until the solubility limit of FePO 4 is reached and the material crystallizes. By fractional dilution in this case unwanted metal phosphates are to be separated, which have a smaller solubility product than FePO. 4
  • This method has the disadvantage that it requires a very high energy input and a lot of water is needed to precipitate the product. In this process, a soluble complex of iron is formed, which is stable for weeks and crystallizes only slowly. This significantly reduces the economic yield of the product.
  • the prior art processes for producing iron phosphates have further disadvantages when the resulting iron phosphate product is to be used to produce LiFePO 4 for Li-ion batteries.
  • Important considerations for the suitability of the material are the morphology and the particle size distribution of the iron phosphates.
  • spherical crystals of different size are generally obtained. However, these have a small surface area compared to other crystal morphologies.
  • iron phosphate having a large crystal surface is advantageous for ensuring penetration of lithium ions in a large number and at high speed.
  • a high bulk density and compressibility of the material is desired in order to realize a high energy storage density in the produced cathode material.
  • iron orthophosphate and a process for its preparation according to the copending German patent application DE 102007049757.
  • oxidic iron (II), iron (III) or mixed iron (II, III) compounds are reacted with phosphoric acid at a concentration in the range of 5% to 50% and optionally present iron (II) after the reaction. converted by the addition of an oxidizing agent in iron (IM) and solid iron (III) orthophosphate separated from the reaction mixture.
  • Iron (III) present in the starting material is precipitated directly as iron (III) orthophosphate by the addition of the phosphoric acid.
  • the method has the disadvantage that in the course of the reaction always partially the raw materials and the product are present as solids side by side. A separation of impurities, either as a solution or as solids, is not possible. In order to achieve a high chemical purity of the product, it is therefore dependent on the quality and purity of the raw materials and set.
  • the object of the present invention was therefore to provide an iron (III) orthophosphate and a process for its preparation in which the known disadvantages of the prior art are overcome and in comparison with known production processes iron (III) orthophosphate in a simpler manner high purity is available.
  • the object of the present invention is achieved by a process for the preparation of iron (III) orthophosphate of the general formula FePO 4 .xNH 2 O (n ⁇ 2.5), in which a) a Fe 2+ -lene-containing aqueous Solution is prepared by oxidic iron (II) -, iron (III) - or mixed iron (II, III) compounds selected from hydroxides, oxides, oxide hydroxides, oxide hydrates, carbonates and hydroxide, together with elemental iron in a phosphoric acid containing introducing aqueous medium and solubilizing Fe 2+ ions and reacting Fe 3+ with elemental Fe (in a comproportionation reaction) to form Fe 2+ ; b) separating solids from the aqueous
  • the starting materials (oxidic iron raw material, elemental iron) in powder form, preferably in particle sizes D50 in the range of 0.01 .mu.m to 300 .mu.m, used and directly with the phosphoric acid-containing aqueous medium, preferably with dilute phosphoric acid, mixed and implemented.
  • the starting materials or some of the starting materials can first be freshly produced via precipitation and any subsequent annealing and then further processed as a filter cake. This results in a slurry colored by the solid content of the raw material (black to brown to red).
  • aqueous solvent includes embodiments containing only water as the liquid medium, as well as those embodiments in which the liquid medium is predominantly water, but also portions of water-miscible organic and / or ionic solvents or liquids. It is known that such solvent additives can have an influence on the crystal growth and thus on the resulting morphology of the product.
  • reaction equation (I) In the aqueous medium containing phosphoric acid, a redox reaction occurs between Fe 3+ from the oxidic iron raw material and the elemental iron, soluble Fe 2+ being formed in a proportioning ratio according to the following reaction equation (I).
  • reaction mixture is heated to about 2 to 25 ° C depending on the raw material, if the resulting heat of reaction is not dissipated, which is not necessary in principle. After the reaction has subsided, the mixture is heated with stirring to higher temperatures, preferably below 65 ° C, wherein the introduced solids more or less completely react depending on the composition and purity to form a typically green-colored Fe 2+ solution. After about 50 to 120 minutes, this process step is completed. The duration depends among other things on the raw materials and concentrations used.
  • precipitation reagents defined with advantage can be added to the solution.
  • the calcium content in the solution can be reduced by adding small amounts of sulfuric acid with precipitation of calcium sulfate.
  • an additional electrolytic precipitation or deposition of unwanted metal ions from the solution can advantageously also be carried out before iron (III) is produced in the iron (II) solution by oxidation and the iron (III) orthophosphate is precipitated.
  • An advantage of the process according to the invention is that a homogeneous phosphoric acid aqueous iron (II) solution is prepared as an intermediate, from which all impurities present as solids or can be converted into solids or precipitated by precipitation additives can be separated off by simple means before being dissolved in the purified ferrous solution produced as an intermediate produces the iron (III) orthophosphate by oxidation and precipitates again as a solid.
  • the solid iron (III) orthophosphate is therefore not present in the aqueous solution at the same time as other insoluble starting compounds originally used, as is the case, for example, in the process according to the copending German patent application DE 102007049757.
  • the process according to the invention permits the preparation of iron (III) orthophosphate with high purity, without it being necessary subsequently to carry out particularly expensive purification processes.
  • the reaction of the oxide iron compounds together with elemental iron containing phosphoric acid in an aqueous medium is carried out at a temperature ranging from 15 ° C to 90 0 C, preferably in the range of 20 0 C to 75 ° C, more preferably in the range of 25 ° C to 65 ° C by. If the temperature is too low, the reaction rate is slow and possibly uneconomical. If the temperature is too high, premature precipitation of iron (III) orthophosphate may partly occur due to possible solid-state reaction of the solid starting materials contained in the suspension. Furthermore, by too high a temperature, the course of side reactions, as described below, is promoted.
  • the reaction of the oxidic iron compounds together with elemental iron in aqueous medium containing phosphoric acid is carried out with thorough mixing, preferably with stirring.
  • all known in the art mixers and stirrers, which are suitable for such a purpose can be used. It is also advantageous to use jet mixers, homogenizers, flow reaction cells, etc. for mixing and / or moving the reaction mixture.
  • the reaction of the oxidic iron compounds together with elemental iron in aqueous medium containing phosphoric acid is carried out for a period of from 1 minute to 120 minutes, preferably from 5 minutes to 60 minutes, more preferably from 20 minutes to 40 minutes .
  • the reaction of the iron compounds together with elemental iron in phosphoric acid-containing aqueous medium can of course be stopped at any time by separating the solids from the aqueous solution, which may have a yield loss in incomplete reaction.
  • the concentration of phosphoric acid in the aqueous medium is suitably 5% to 85%, preferably 10% to 40%, more preferably 15% to 30%, based on the weight of the aqueous solution.
  • Low phosphoric acid concentrations are economically advantageous, the reaction can proceed very slowly at too low a concentration, which may also be undesirable from an economic point of view.
  • high phosphoric acid concentrations such as over 35%, depending on the fineness of the oxidic iron compounds used, their clumping can occur, which considerably increases the duration of the above-described comproportionation reaction between Fe 3+ and elemental iron. It also became an influence of phosphoric acid concentration observed on the fineness of the final product.
  • the phosphoric acid concentration can be adjusted for the precipitation step after the co-proportioning reaction between Fe 3+ and elemental iron by adding concentrated phosphoric acid or water, or removing contained water by evaporation. This makes it possible to control the fineness of the final product iron (III) orthophosphate independently of the amounts of raw material used to produce the Fe 2+ solution.
  • reaction equation (II) In a side reaction between the elemental iron and the phosphoric acid, hydrogen gas is produced according to the following reaction equation (II), which must be deliberately removed for safety reasons.
  • the heating of the reaction stops or the temperature on expediently limited to about 85 to 100 0 C and added oxidizing agent until essentially the entire proportion of iron (II) was oxidized to iron (III) and no more iron (II) can be detected or a given Iron (II) concentration is below. Under these conditions, iron (III) orthophosphate precipitates as a off-white to slightly pink colored solid. The aforesaid temperature range of about 85 to 100 ° C.
  • the oxidation and precipitation stage is preferred according to the invention for the oxidation and precipitation stage, but other temperature ranges are not excluded.
  • the product may be separated by filtration or other common procedures as a solid. Drying at different drying intensities makes it possible to obtain various products of the general formula FePO 4 .xH 2 O (n ⁇ 2.5).
  • the morphology of the product can be controlled.
  • a high bulk density product is obtained by performing the precipitation at an acid concentration of 23-25%. At higher and lower concentrations, products with low bulk densities are obtained.
  • the oxidizing agent which is added to oxidise iron (II) in the solution is an aqueous solution of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ).
  • the hydrogen peroxide solution preferably has a concentration of 15 to 50 wt .-%, particularly preferably 30 to 40 wt .-%.
  • the oxidizing agent added to oxidize iron (II) in the solution is a gaseous medium selected from air, pure oxygen or ozone, which is injected into the aqueous solution.
  • the oxidation by adding a suitable oxidizing agent is preferably carried out immediately after the separation of the solids from the phosphoric acid aqueous Fe 2+ solution.
  • the temperature of the reaction mixture may be maintained at or near the temperature previously set for the reaction of the iron compounds. Preferably, a temperature range of about 85 to 100 0 C.
  • the oxidation may be carried out onsrecision including after cooling the solution to room temperature or, whereby the precipitation of the iron formed (III) orthophosphate but is not favored. Both the oxidation reaction and the precipitation of the iron (III) orthophosphate formed generally proceed more readily and more rapidly at elevated temperature, which is why it is preferred to carry out this step at a moderately elevated temperature.
  • the oxidation reaction is carried out until no or substantially no more iron (II) is detectable in the reaction mixture.
  • rapid tests eg test strips or test strips
  • the separation of the iron (III) orthophosphate from the aqueous solution is preferably carried out by filtration, sedimentation, centrifuging or combinations of the aforementioned separation methods.
  • the separated from the reaction mixture iron (III) orthophosphate is then dried at elevated temperature and / or under reduced pressure.
  • the iron (III) orthophosphate after separation can also advantageously be further processed in moist form as filter cake or dispersion with solids contents of 1 to 90% by weight, depending on the possible or desired efficiency of the dewatering step.
  • the process according to the invention for the preparation of iron (III) orthophosphate also has some ecological and economic advantages over other known processes in addition to the achievable high purity of the end product.
  • the mother liquor remaining after the separation of iron (III) orthophosphate contains substantially no contaminating reaction products, such as, for example, sulfates or chlorides, which are left behind in the known prior art processes using iron sulfate or iron chloride as the starting material.
  • Mother liquor from the process according to the present invention can therefore be adjusted again to the desired concentration by adding concentrated phosphoric acid and is thus completely traceable back into the process. This saves costs and avoids unwanted waste.
  • the present invention also includes iron (III) orthophosphate prepared according to the process of the invention described herein.
  • the iron (III) orthophosphate according to the invention is not only simpler and less expensive to produce than the prior art, it also differs structurally and in terms of its composition or impurities from iron (III) orthophosphate, according to known art Method was made from the prior art.
  • the iron (II), iron (III) and mixed iron (II, III) compounds used as starting materials also contribute to this, chosen from hydroxides, oxides, oxide hydroxides, hydrated oxides, carbonates and hydroxide carbonates.
  • known processes for the preparation of iron (III) orthophosphate according to the prior art employ, inter alia, iron sulphate or sulphate-containing raw materials and / or nitrate-containing raw materials and control the course of the pH of the reaction. tion with caustic soda.
  • the resulting iron phosphates therefore contain high residues of sulfur, predominantly in the form of sulfate, nitrate and sodium.
  • the iron (III) orthophosphate has a sulfur content of ⁇ 300 ppm, preferably ⁇ 200 ppm, more preferably ⁇ 100 ppm. In a further embodiment of the present invention, the iron (III) orthophosphate or a nitrate content of ⁇ 300 ppm, preferably
  • the iron (III) orthophosphate therefore has a content of sodium and potassium of ⁇ 300 ppm, preferably ⁇ 200 ppm, particularly preferably ⁇ 100 ppm.
  • the iron (III) orthophosphate therefore has a content of metals and transition metals, with the exception of iron, of in each case ⁇ 300 ppm, preferably
  • the properties of the product according to the invention namely the iron (III) orthophosphate according to the invention, are substantially influenced by its preparation process and the starting materials used for its preparation and differ from iron (III) orthophosphate according to the prior art.
  • Iron (III) orthophosphates prepared by well-known methods from iron sulfate or iron chloride also have differences in crystal structure. X-ray structural investigations have shown that iron (III) orthophosphates prepared from iron sulphate or iron chloride according to the prior art are present predominantly in the metastrite I structure with small amounts of strengite and metastrengite II (phosphosiderite). On the other hand, X-ray structural studies on iron (III) prepared according to the invention revealed orthophosphates found that these are predominantly present in the metastatic it Il structure (phosphosiderite) with very low or undetectable levels of strengite and metastases.
  • iron (III) orthophosphate therefore,> 80% by weight, preferably> 90% by weight, particularly preferably> 95% by weight, of the iron (III) orthophosphate in the M etastreng II. (Phosphosiderite) crystal structure before.
  • the iron (III) orthophosphate according to the invention preferably has a platelet-shaped morphology with metastrengite II structure. This structure allows a much denser packing of the crystallites and particles with a smaller exclusion volume compared to spherical particles. With the iron (III) orthophosphate according to the invention, high bulk densities and tamped densities can therefore be realized, which is particularly advantageous for use in LiFePCU cathode materials.
  • a small thickness of the platelets ensures, for example, a high reaction rate in the production of LiFePO 4 and a higher performance of the finished cathode material, since the diffusion distances and diffusion times of Li ions compared to conventional material can be significantly reduced.
  • layered aggregates / agglomerates of this material can easily be converted into dispersions of the primary particles by conventional methods under the action of shearing forces (Turrax, agitator ball mill, ultrasound, etc.).
  • the iron (III) orthophosphate is in the form of platelet-shaped crystals.
  • these crystals have a small thickness in the range of less than 1000 nm, preferably ⁇ 500 nm, more preferably ⁇ 300 nm, most preferably ⁇ 100 nm.
  • the dimensions of the platelet-shaped crystals in the two dimensions perpendicular to the thickness are preferably in the range of 200 to 2000 nm, more preferably 300 to 900 nm, most preferably 400 to 800 nm.
  • the iron (III) orthophosphate according to the invention has a bulk density of> 400 g / l, preferably> 700 g / l, particularly preferably> 1000 g / l.
  • the iron (III) orthophosphate according to the invention has a tapped density of> 600 g / l, preferably> 750 g / l, more preferably> 1100 g / l.
  • the iron (III) orthophosphate according to the invention thus exhibits a very fine primary particle size and, at the same time, a very high attainable bulk density or a high tamped density. This was surprising compared to the prior art.
  • Iron (III) orthophosphates which are prepared by generally known methods from iron sulfate or iron chloride, usually have a primary particle size of> 1 .mu.m, which also high bulk densities of> 1000 g / l can be realized. If corresponding iron (III) orthophosphates with smaller primary particle sizes in the sub-micron range are prepared according to these known processes from iron sulfate or iron chloride, then only low bulk densities of up to 400 g / l can be achieved.
  • the morphology of iron (III) phosphates which are prepared by generally known methods from iron sulfate or iron chloride, consists predominantly of spherical particles, whereas the iron (III) orthophosphate according to the invention has the previously described morphology with a high proportion of angular, platy - has chenförmigen crystals.
  • the present invention also encompasses the use of the iron (III) orthophosphate according to the invention for the production of Li FePCU cathode material for Li-ion accumulators.
  • the preparation of such a cathode material using iron (III) orthophosphate is known per se to a person skilled in the art, but here the iron (III) orthophosphate according to the invention offers the particular advantages described above.
  • the present invention encompasses LiFePCU cathode material for Li-ion accumulators made using iron (III) orthophosphate as described and claimed herein, and Li-ion accumulators comprising a LiFePCU cathode material of the aforementioned kind ,
  • the invention also encompasses the use of the iron (III) orthophosphate according to the invention as a food supplement and for the mineral enrichment of foods, since it is suitable for food and has a very high bioavailability for the organism. It is particularly advantageous here to use the iron (III) orthophosphate according to the invention in the form of aqueous dispersions.
  • the invention also encompasses the use of the iron (III) orthophosphate according to the invention as a molluscicide, for example in the control of snails. Iron (III) orthophosphate is known per se for its molluscicidal activity. It leads to a slime of the animals.
  • the iron (III) orthophosphate according to the invention is particularly effective because of its structurally high bioavailability compared to conventionally prepared iron (III) phosphate, so that less substance is needed to achieve the same effect.
  • the iron (III) orthophosphate according to the invention in the form of aqueous dispersions is used with particular advantage here.
  • RT room temperature
  • iron oxide manganetite, Fe S U 4
  • the batch is homogenized at 10,000 rpm for 10 min with a dispersing rod. Subsequently, the resulting suspension is mixed with stirring with 7 g of iron powder.
  • Example 4 20 g of Fe 3+ 4 , 7 g of Fe, 250 g of H 2 O and 125 g of 75% strength phosphoric acid are combined at RT.
  • the density of dilute phosphoric acid in the batch is 1.146 g / ml at 20 ° C.
  • T 120 ° C
  • the turbidity is removed by filtration and the filtrate is mixed with 40 ml of H 2 O 2 -LSg (35 wt .-%) at 85 ° C. It turns a color change over intense red to light pink, the product precipitating as a fine solid with light pink color. The yield is 83.5% (60.0 g).
  • FIG. 1 a shows a scanning electron micrograph of an iron (III) orthophosphate having a metastrengite I crystal structure prepared from a known process according to the prior art from Fe (II) SO 4 with phosphoric acid.
  • FIG. 1b shows an XRD spectrum in the angular range of 5 ° to 70 ° 2 theta of the iron (III) orthophosphate from FIG. 1a.
  • FIG. 2 a shows a scanning electron micrograph of iron (III) orthophosphate according to the invention, prepared according to Example 1, which is present predominantly in the metasthere I 1 crystal structure.
  • FIG. 2b shows an XRD spectrum in the angular range of 10 ° to 25 ° 2 theta of the iron (III) orthophosphate from FIG. 2a.

Abstract

The invention relates to a method for producing iron(lll)orthophosphate of general formula FePO4 x nH2O (n = 2,5), in which a) an aqueous solution containing Fe2+-ions is produced, in which oxidized iron (ll)-, iron (lll) or mixed iron (ll,lll) compounds selected from hydroxides, oxides, oxide hydroxides, oxide hydrates, carbonates and hydroxide carbonates, together with elementary iron are introduced into an aqueous medium containing a phosphorous acid and Fe2+-ions are introduced into a solution and Fe3+ are transformed into Fe2+ with elementary Fe (in a comproportionation reaction), b) solids are separated from the aqueous phosphoric acid Fe2+ solution, c) an oxidation agent is added to the aqueous phosphoric acid Fe2+solution, in order to oxidate the iron (ll) in the solution, and iron (lll)orthophosphate of general formula FePO4 x nH2O precipitates.

Description

Herstellung von Eisenorthophosphat Production of iron orthophosphate
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Eisen(lll)orthophosphat mit besonders hoher Reinheit, ein nach dem Verfahren hergestelltes Eisen(lll)orthophosphat sowie dessen Verwendung zur Herstellung von LiFePO4-Kathodenmaterial für Li-Ionen-Akkumulatoren, als Nahrungsergänzungsmittel zur Mineralstoffanreicherung sowie als Molluskizid.The present invention relates to a process for the preparation of iron (III) orthophosphate with particularly high purity, an iron (III) orthophosphate prepared by the process and its use for the production of LiFePO 4 cathode material for Li-ion accumulators, as dietary supplement for mineral enrichment as well as molluscicide.
Eisenphosphate kommen in vielen Bereichen zur Anwendung, z. B. als Nahrungsergänzungsmit- tel oder als Nahrungsmittelzusatz zur Mineralstoffanreicherung, als Wirkstoff in Molluskiziden, in der Keramikindustrie oder als Rohstoff zur Herstellung von LiFePO4-Kathodenmaterial für Li- Ionen-Akkumulatoren. Jedes Anwendungsgebiet stellt dabei individuelle Anforderungen an das Eisenphosphat, wobei in einigen Anwendungen insbesondere die chemische Reinheit von besonderer Bedeutung ist. Vielfach hat auch die Morphologie oder die Partikelfeinheit des Eisen- phosphats eine kritische Bedeutung für den Anwendungserfolg, z. B. wenn man die Bioverfügbarkeit für Organismen betrachtet.Iron phosphates are used in many areas, for. As a dietary supplement or as a food additive for mineral enrichment, as an active ingredient in molluscicides, in the ceramics industry or as a raw material for the production of LiFePO 4 cathode material for Li ion batteries. Each field of application makes individual demands on the iron phosphate, wherein in some applications, in particular, the chemical purity is of particular importance. In many cases, the morphology or the particle fineness of the iron phosphate has a critical importance for the success of the application, eg. When considering bioavailability for organisms.
Wiederaufladbare Li-Ionen-Akkumulatoren sind weit verbreitete Energiespeicher, insbesondere im Bereich mobiler Elektronik, da sich der Li-Ionen-Akkumulator durch eine hohe Energiedichte auszeichnet und eine hohe Nennspannung von 3,7 Volt liefern kann, so dass der Li-Ionen- Akkumulator bei vergleichbarer Leistung deutlich kleiner und leichter ist als herkömmliche Akkumulatoren. Als Kathodenmaterialien haben sich Spinelle wie LiCoθ2, LiNiθ2, LiNi1-xCoxθ2 und LiMnnO4 etabliert. Um die Sicherheit der Li-Ionen-Akkumulatoren zu erhöhen, vor allem in Bezug auf eine thermische Überlastung im Betrieb, wurde LiFePO4 als Kathodenmaterial entwickelt. Dieses Material zeichnet sich durch eine bessere Leistung, höhere spezifische Kapazität sowie hohe thermische Stabilität im Betrieb aus.Rechargeable Li-ion batteries are widely used energy storage, especially in the field of mobile electronics, as the Li-ion battery is characterized by a high energy density and can deliver a high rated voltage of 3.7 volts, so that the Li-ion battery at comparable performance is significantly smaller and lighter than conventional accumulators. As cathode materials, spinels such as LiCoθ 2 , LiNiO 2 , LiNi 1-x Co x θ 2 and LiMn n O 4 have been established. To increase the safety of Li-ion batteries, especially in terms of thermal overload during operation, LiFePO 4 was developed as a cathode material. This material features better performance, higher specific capacity and high thermal stability during operation.
An das Kathodenmaterial eines Akkumulators werden hohe Reinheitsansprüche gestellt, da jede Kontamination, die während des Betriebes (Laden bzw. Entladen) unerwünschte Redox- Reaktionen eingehen kann, die Leistung des Akkumulators nachteilig beeinflußt. Die Art und Konzentration der möglichen Kontaminationen hängt im wesentlichen von der Qualität der zur Herstellung des Kathodenmaterials eingesetzten Rohstoffe ab. Im Herstellungsprozeß des Kathodenmaterials können Maßnahmen zur nachträglichen Reduzierung von Verunreinigungen getroffen werden, was jedoch im allgemeinen mit einer Erhöhung der Herstellungskosten ver- bunden ist. Es ist daher erstrebenswert, möglichst reine Ausgangsmaterialien bzw. Rohstoffe für die Herstellung des Kathodenmaterials zu verwenden.High purity requirements are placed on the cathode material of a rechargeable battery since any contamination that may undergo undesirable redox reactions during operation (charging or discharging) adversely affects the performance of the rechargeable battery. The type and concentration of possible contaminations depends essentially on the quality of the raw materials used to produce the cathode material. In the manufacturing process of the cathode material, measures can be taken for the subsequent reduction of impurities, but this is generally associated with an increase in the production costs. is bound. It is therefore desirable to use as pure starting materials or raw materials for the production of the cathode material.
Ein Ausgangsmaterial für die Herstellung von LiFePO4 für Lithium-Ionen-Akkumulatoren ist Eise- northophosphat, dessen Reinheit und Struktur bzw. Morphologie die Qualität des daraus hergestellten Kathodenmaterials wesentlich beeinflußt.A starting material for the production of LiFePO 4 for lithium-ion accumulators is ice northophosphate, the purity and structure or morphology of which significantly influences the quality of the cathode material produced therefrom.
Bekannte Verfahren zur Herstellung von Eisen(lll)orthophosphat verwenden FeSO4 und FeCb als Ausgangsmaterialien bzw. Rohstoffe, aber auch metallorganische Vorläuferverbindungen, wie FeC2θ2 (Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie, Eisen Teil B, Seiten 773 ff; US-A- 3,407,034; C. Delacourt et al., Chem. Mater. 2003, 15, 5051-5058; Zhicong Shi et al., Electro- chemical and Solid State Letters 2005, 8, A396-A399). Die Phosphor- bzw. Phosphatkomponente wird bei diesen Ausgangsmaterialien über ein Phosphatsalz bzw. Phosphorsäure eingebracht. In den beschriebenen Verfahren sind immer auch Zusätze von HCl, NaOH, NH3, NaCIO3 oder Ten- side notwendig, um die chemisch-physikalischen Eigenschaften der erhaltenen Produkte zu steuern. Dies hat zur Folge, dass die so hergestellten Materialien stets Verunreinigungen von Anionen, wie Chlorid oder Sulfat, Kationen, wie Natrium oder Ammonium, oder organische Komponenten enthalten. Großtechnisch lassen sich diese Verunreinigungen, wenn überhaupt, nur durch höchst aufwendige und kostenintensive Reinigungsverfahren entfernen.Known processes for the preparation of iron (III) orthophosphate use FeSO 4 and FeCb as starting materials or raw materials, but also organometallic precursor compounds, such as FeC 2 O 2 (Gmelin's Handbook of Inorganic Chemistry, Part B Iron, pages 773 et seq., US Pat. C. Delacourt et al., Chem. Mater., 2003, 15, 5051-5058; Zhicong Shi et al., Electrochemical and Solid State Letters 2005, 8, A396-A399). The phosphorus or phosphate component is introduced in these starting materials via a phosphate salt or phosphoric acid. Additions of HCl, NaOH, NH 3 , NaCIO 3 or surfactants are always necessary in the processes described in order to control the chemical-physical properties of the products obtained. As a result, the materials thus produced always contain impurities of anions, such as chloride or sulfate, cations, such as sodium or ammonium, or organic components. On an industrial scale, these impurities can only be removed, if at all, by the most expensive and costly cleaning processes.
Weitere kationische Kontaminationen, wie z. B. Übergangsmetalle, die ursprünglich in den eingesetzten Rohstoffen wie FeSO4 oder FeCI3 enthalten waren, können im allgemeinen nicht auf einfache Weise abgetrennt oder ausgewaschen werden, da auch sie in der Regel schwer lösliche Phosphatsalze bilden und gemeinsam mit dem gewünschten Eisenphosphat kristallisieren.Further cationic contamination, such. B. transition metals that were originally contained in the raw materials used such as FeSO 4 or FeCl 3 , can not be easily separated or washed out in general, since they also form sparingly soluble phosphate salts in general and crystallize together with the desired iron phosphate.
Die WO 02/30815 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von LiFePO4 aus Eisenphosphat und Lithium, wobei zur Herstellung des Eisenphosphats ein Eisenoxid in 85%iger Phosphorsäure unter Erwärmen aufgelöst wird. Anschließend wird die Lösung solange verdünnt, bis die Löslichkeitsgrenze von FePO4 erreicht ist und das Material kristallisiert. Durch fraktioniertes Verdünnen sollen hierbei unerwünschte Metallphosphate abgetrennt werden, die ein kleineres Löslichkeits- produkt besitzen als FePO4. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass es einen sehr hohen Energieeinsatz erfordert und viel Wasser benötigt wird, um das Produkt auszufällen. Bei diesem Verfahren bildet sich ein löslicher Komplex des Eisens, der über Wochen stabil ist und nur langsam kristallisiert. Dies reduziert die wirtschaftliche Ausbeute des Produkts erheblich. Durch Sieden der Lösung über mehrere Tage kann die Ausbeute gesteigert werden, was allerdings einen sehr hohen Energieaufwand erfordert. Zudem fällt bei dem Verfahren eine große Menge an verdünnter Phosphorsäure an, die nur nach Aufkonzentrierung wieder in den Prozeß eingesetzt werden kann. Das Verfahren ist daher sowohl aus ökonomischen als auch ökologischen Gesichtspunkten nicht interessant.WO 02/30815 describes a process for the preparation of LiFePO 4 from iron phosphate and lithium, wherein an iron oxide is dissolved in 85% phosphoric acid with heating to produce the iron phosphate. The solution is then diluted until the solubility limit of FePO 4 is reached and the material crystallizes. By fractional dilution in this case unwanted metal phosphates are to be separated, which have a smaller solubility product than FePO. 4 This method has the disadvantage that it requires a very high energy input and a lot of water is needed to precipitate the product. In this process, a soluble complex of iron is formed, which is stable for weeks and crystallizes only slowly. This significantly reduces the economic yield of the product. By boiling the solution for several days, the yield can be increased, which, however, requires a very large amount of energy. In addition, the process involves a large amount of dilute Phosphoric acid, which can be re-used in the process only after concentration. The method is therefore not interesting from an economic as well as ecological point of view.
Die Verfahren nach dem Stand der Technik zur Herstellung von Eisenphosphaten haben weitere Nachteile, wenn das erhaltene Eisenphosphatprodukt zur Herstellung von LiFePO4 für Li-Ionen- Akkumulatoren verwendet werden soll. Wichtige Gesichtspunkte für die Eignung des Materials sind die Morphologie und die Korngrößenverteilung der Eisenphosphate. Durch die Verfahren der Fällung von Eisenphosphat nach dem Stand der Technik werden in der Regel sphärische Kristal- Ie unterschiedlicher Größe erhalten. Diese haben allerdings eine geringe Oberfläche im Vergleich zu anderen Kristallmorphologien. Für die Anwendung als Kathodenmaterial in Li-Ionen- Akkumulatoren ist ein Eisenphosphat mit einer großen Kristalloberfläche vorteilhaft, um eine Penetration der Lithiumionen in großer Anzahl und mit hoher Geschwindigkeit zu gewährleisten. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, Kristalle von geringer Größe zu erhalten, um die Diffusionsstre- cken und -zeiten der Lithiumionen zu verringern. Des weiteren ist eine hohe Schüttdichte und Verdichtbarkeit des Materials erwünscht, um in dem hergestellten Kathodenmaterial eine hohe Energiespeicherdichte zu realisieren.The prior art processes for producing iron phosphates have further disadvantages when the resulting iron phosphate product is to be used to produce LiFePO 4 for Li-ion batteries. Important considerations for the suitability of the material are the morphology and the particle size distribution of the iron phosphates. By the methods of precipitation of iron phosphate according to the prior art, spherical crystals of different size are generally obtained. However, these have a small surface area compared to other crystal morphologies. For use as a cathode material in Li-ion batteries, iron phosphate having a large crystal surface is advantageous for ensuring penetration of lithium ions in a large number and at high speed. Moreover, it is advantageous to obtain crystals of small size in order to reduce the diffusion distances and times of the lithium ions. Furthermore, a high bulk density and compressibility of the material is desired in order to realize a high energy storage density in the produced cathode material.
Einige der vorgenannten Nachteile und Probleme des Standes der Technik werden durch ein Eisenorthophosphat und ein Verfahren zu dessen Herstellung nach der parallel anhängigen deutschen Patentanmeldung DE 102007049757 überwunden. Bei dem Verfahren werden oxidische Eisen(ll)-, Eisen(lll)- oder gemischte Eisen(ll,lll)-Verbindungen mit Phosphorsäure mit einer Konzentration im Bereich von 5% bis 50% umsetzt und nach der Umsetzung gegebenenfalls vorhandenes Eisen(ll) durch Zugabe eines Oxidationsmittels in Eisen (IM) überführt und festes Ei- sen(lll)orthophosphat aus dem Reaktionsgemisch abtrennt. In dem Ausgangsmaterial vorhandenes Eisen(lll) wird durch die Zugabe der Phosphorsäure direkt als Eisen(lll)orthophosphat ausgefällt. Das Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass im Verlauf der Reaktion stets teilweise die Rohstoffe sowie das Produkt als Feststoffe nebeneinander vorliegen. Eine Abtrennung von Verunreinigungen, entweder als Lösung oder als Feststoffe, ist dadurch nicht möglich. Um eine hohe chemische Reinheit des Produktes zu erzielen, ist man daher auf die Qualität und Reinheit der Rohstoffe angewiesen und festgelegt.Some of the aforementioned disadvantages and problems of the prior art are overcome by an iron orthophosphate and a process for its preparation according to the copending German patent application DE 102007049757. In the process, oxidic iron (II), iron (III) or mixed iron (II, III) compounds are reacted with phosphoric acid at a concentration in the range of 5% to 50% and optionally present iron (II) after the reaction. converted by the addition of an oxidizing agent in iron (IM) and solid iron (III) orthophosphate separated from the reaction mixture. Iron (III) present in the starting material is precipitated directly as iron (III) orthophosphate by the addition of the phosphoric acid. However, the method has the disadvantage that in the course of the reaction always partially the raw materials and the product are present as solids side by side. A separation of impurities, either as a solution or as solids, is not possible. In order to achieve a high chemical purity of the product, it is therefore dependent on the quality and purity of the raw materials and set.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand daher darin, ein Eisen(lll)orthophosphat und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, bei dem die bekannten Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden und mit dem gegenüber bekannten Herstellungsverfahren Eisen(lll)orthophosphat auf einfachere Weise in hoher Reinheit erhältlich ist. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Ei- sen(lll)orthophosphat der allgemeinen Formel FePO4 x nH2O (n < 2,5), bei dem man a) eine Fe2+-lonen enthaltende wässrige Lösung herstellt, indem man oxidische Eisen(ll)-, Eisen(lll)- oder gemischte Eisen(ll,lll)-Verbindungen, ausgewählt unter Hydroxiden, Oxiden, Oxidhydroxiden, Oxidhydraten, Carbonaten und Hydroxidcarbonaten, zusammen mit elementarem Eisen in ein Phosphorsäure enthaltendes wässriges Medium einbringt und Fe2+-lonen in Lösung bringt und Fe3+ mit elementarem Fe (in einer Komproportionie- rungsreaktion) zu Fe2+ umsetzt, b) Feststoffe von der phosphorsauren wässrigen Fe2+-Lösung abtrennt, c) zu der phosphorsauren wässrigen Fe2+-Lösung ein Oxidationsmittel zugibt, um Eisen(ll) in der Lösung zu oxidieren, und Eisen(lll)orthophosphat der allgemeinen Formel FePO4 x nH2O ausfällt.The object of the present invention was therefore to provide an iron (III) orthophosphate and a process for its preparation in which the known disadvantages of the prior art are overcome and in comparison with known production processes iron (III) orthophosphate in a simpler manner high purity is available. The object of the present invention is achieved by a process for the preparation of iron (III) orthophosphate of the general formula FePO 4 .xNH 2 O (n <2.5), in which a) a Fe 2+ -lene-containing aqueous Solution is prepared by oxidic iron (II) -, iron (III) - or mixed iron (II, III) compounds selected from hydroxides, oxides, oxide hydroxides, oxide hydrates, carbonates and hydroxide, together with elemental iron in a phosphoric acid containing introducing aqueous medium and solubilizing Fe 2+ ions and reacting Fe 3+ with elemental Fe (in a comproportionation reaction) to form Fe 2+ ; b) separating solids from the aqueous phosphoric Fe 2+ solution; phosphoric acid aqueous Fe 2+ solution adds an oxidizing agent to oxidize iron (II) in the solution, and iron (III) orthophosphate of the general formula FePO 4 x nH 2 O precipitates.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Ausgangsstoffe (oxidischer Eisenrohstoff, e- lementares Eisen) in Pulverform, vorzugsweise in mit Korngrößen D50 im Bereich von 0,01 μm bis 300 μm, eingesetzt und direkt mit dem Phosphorsäure enthaltenden wässrigen Medium, vorzugsweise mit verdünnter Phosphorsäure, gemischt und umgesetzt werden. Alternativ können die Ausgangsstoffe oder kann ein Teil der Ausgangsstoffe zunächst über eine Fällung und even- tuell anschließendes Glühen frisch erzeugt und im danach als Filterkuchen weiter verarbeitet werden. Es entsteht eine durch den Feststoffanteil des Rohstoffs gefärbte bzw. getrübte Auf- schlämmung (schwarz bis braun bis rot).In the process according to the invention, the starting materials (oxidic iron raw material, elemental iron) in powder form, preferably in particle sizes D50 in the range of 0.01 .mu.m to 300 .mu.m, used and directly with the phosphoric acid-containing aqueous medium, preferably with dilute phosphoric acid, mixed and implemented. Alternatively, the starting materials or some of the starting materials can first be freshly produced via precipitation and any subsequent annealing and then further processed as a filter cake. This results in a slurry colored by the solid content of the raw material (black to brown to red).
Wenn hierin von wässrigem Lösungsmittel die Rede ist, so umfasst dies Ausführungsformen, die ausschließlich Wasser als flüssiges Medium beinhalten, aber auch solche Ausführungsformen, bei denen das flüssige Medium zu einem vorzugsweise überwiegenden Teil aus Wasser besteht, es aber auch Anteile von mit Wasser mischbaren organischen und/oder ionischen Lösungsmitteln bzw. Flüssigkeiten enthalten kann. Es ist bekannt, dass solche Lösungsmittelzusätze einen Ein- fluss auf das Kristallwachstum und damit auf die resultierende Morphologie des Produkts haben können.As used herein, aqueous solvent includes embodiments containing only water as the liquid medium, as well as those embodiments in which the liquid medium is predominantly water, but also portions of water-miscible organic and / or ionic solvents or liquids. It is known that such solvent additives can have an influence on the crystal growth and thus on the resulting morphology of the product.
In dem Phosphorsäure enthaltenden wässrigen Medium kommt es zwischen Fe3+ aus dem oxidischen Eisenrohstoff und dem elementaren Eisen zu einer Redoxreaktion, wobei in einer Kom- proportionierung nach der folgenden Reaktionsgleichung (I) lösliches Fe2+ gebildet wird.In the aqueous medium containing phosphoric acid, a redox reaction occurs between Fe 3+ from the oxidic iron raw material and the elemental iron, soluble Fe 2+ being formed in a proportioning ratio according to the following reaction equation (I).
(I) 2 Fe3+ + Fe -» 3 Fe 2+ Der Reaktionsansatz erwärmt sich um etwa 2 bis 25°C je nach Rohstoff, wenn die entstehende Reaktionswärme nicht abgeführt wird, was prinzipiell nicht notwendig ist. Nach dem Abklingen der Reaktion wird der Ansatz unter Rühren auf höhere Temperaturen, vorzugsweise unterhalb von 65°C, erwärmt, wobei die eingebrachten Feststoffe je nach Zusammensetzung und Reinheit mehr oder weniger vollständig unter Bildung einer typisch grün gefärbten Fe2+-Lösung abreagieren.! Nach etwa 50 bis 120 min ist dieser Prozessschritt abgeschlossen. Die Dauer hängt unter anderem von den eingesetzten Rohstoffen und Konzentrationen ab.(I) 2 Fe 3+ + Fe - »3 Fe 2+ The reaction mixture is heated to about 2 to 25 ° C depending on the raw material, if the resulting heat of reaction is not dissipated, which is not necessary in principle. After the reaction has subsided, the mixture is heated with stirring to higher temperatures, preferably below 65 ° C, wherein the introduced solids more or less completely react depending on the composition and purity to form a typically green-colored Fe 2+ solution. After about 50 to 120 minutes, this process step is completed. The duration depends among other things on the raw materials and concentrations used.
Je nach Reinheit der eingesetzten Feststoffe verbleibt eine mehr oder weniger ausgeprägte Trübung in der Lösung, die durch Verbindungen hervorgerufen wird, die unter den Reaktionsbedingungen unlöslich sind. Dieser verbleibende Feststoffanteil kann durch einfache Filtration, Sedimentation, Zentrifugation oder andere geeignete Mittel entfernt werden. Die Auswagen dieser Feststoffe variieren je nach Wahl der in das Verfahren eingesetzten Ausgangsstoffe, Säurekon- zentration und Reaktionstemperatur.Depending on the purity of the solids used a more or less pronounced turbidity remains in the solution, which is caused by compounds which are insoluble under the reaction conditions. This remaining solids content can be removed by simple filtration, sedimentation, centrifugation or other suitable means. The doses of these solids vary depending on the choice of starting materials used in the process, acid concentration and reaction temperature.
Um weitere Verunreinigungen bzw. unerwünschte Stoffe und Verbindungen aus der Lösung zu entfernen, können der Lösung mit Vorteil definierte Fällungsreagenzien zugesetzt werden. So kann z. B. der Kalziumgehalt in der Lösung durch Zusatz von geringen Mengen Schwefelsäure unter Fällung von Kalziumsulfat reduziert werden. Des Weiteren kann mit Vorteil auch eine zusätzliche elektrolytische Fällung oder Abscheidung von unerwünschten Metallionen aus der Lösung durchgeführt werden, bevor in der Eisen(ll)-Lösung durch Oxidation Eisen(lll) hergestellt und das Eisen(lll)orthophosphat ausgefällt wird.In order to remove further impurities or undesirable substances and compounds from the solution, precipitation reagents defined with advantage can be added to the solution. So z. B. the calcium content in the solution can be reduced by adding small amounts of sulfuric acid with precipitation of calcium sulfate. Furthermore, an additional electrolytic precipitation or deposition of unwanted metal ions from the solution can advantageously also be carried out before iron (III) is produced in the iron (II) solution by oxidation and the iron (III) orthophosphate is precipitated.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass man als Zwischenprodukt eine homogene phosphorsaure wässrige Eisen(ll)-Lösung herstellt, von der man sämtliche als Feststoffe vorliegende oder durch Fällungszusätze in Feststoffe überführbare oder elektrolytisch abscheidbare Verunreinigungen mit einfachen Mitteln abtrennen kann, bevor man in der als Zwischenprodukt hergestellten gereinigten Eisen(ll)-Lösung das Eisen(lll)orthophosphat durch Oxi- dation herstellt und wiederum als Feststoff ausfällt. Der Feststoff Eisen(lll)orthophosphat liegt somit nicht gleichzeitig neben anderen ursprünglich eingesetzten unlöslichen Ausgangsverbindungen in der wässrigen Lösung vor, wie dies beispielsweise bei dem Verfahren nach der parallel anhängigen deutschen Patentanmeldung DE 102007049757 der Fall ist. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt dadurch gegenüber anderen Verfahren die Herstellung von Ei- sen(lll)orthophosphat mit hoher Reinheit, ohne dass nachträglich besonders aufwendige Reinigungsverfahren durchgeführt werden müssen. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens führt man die Umsetzung der oxidischen Eisenverbindungen zusammen mit elementarem Eisen in Phosphorsäure enthaltendem wässrigem Medium bei einer Temperatur im Bereich von 15°C bis 900C, vorzugsweise im Be- reich von 200C bis 75°C, besonders bevorzugt im Bereich von 25°C bis 65°C durch. Bei einer zu niedrigen Temperatur ist die Reaktionsgeschwindigkeit langsam und eventuell unwirtschaftlich. Bei einer zu hohen Temperatur kann es teilweise zu einer vorzeitigen Ausfällung von Ei- sen(lll)orthophosphat unter anderem aufgrund möglicher Festkörperreaktion an den in der Suspension enthaltenen festen Ausgangsstoffen kommen. Des Weiteren wird durch zu hohe Tempe- ratur der Ablauf von Nebenreaktionen, wie sie unten beschrieben werden, gefördert.An advantage of the process according to the invention is that a homogeneous phosphoric acid aqueous iron (II) solution is prepared as an intermediate, from which all impurities present as solids or can be converted into solids or precipitated by precipitation additives can be separated off by simple means before being dissolved in the purified ferrous solution produced as an intermediate produces the iron (III) orthophosphate by oxidation and precipitates again as a solid. The solid iron (III) orthophosphate is therefore not present in the aqueous solution at the same time as other insoluble starting compounds originally used, as is the case, for example, in the process according to the copending German patent application DE 102007049757. Compared with other processes, the process according to the invention permits the preparation of iron (III) orthophosphate with high purity, without it being necessary subsequently to carry out particularly expensive purification processes. In one embodiment of the inventive method, the reaction of the oxide iron compounds together with elemental iron containing phosphoric acid in an aqueous medium is carried out at a temperature ranging from 15 ° C to 90 0 C, preferably in the range of 20 0 C to 75 ° C, more preferably in the range of 25 ° C to 65 ° C by. If the temperature is too low, the reaction rate is slow and possibly uneconomical. If the temperature is too high, premature precipitation of iron (III) orthophosphate may partly occur due to possible solid-state reaction of the solid starting materials contained in the suspension. Furthermore, by too high a temperature, the course of side reactions, as described below, is promoted.
Zweckmäßigerweise führt man die Umsetzung der oxidischen Eisenverbindungen zusammen mit elementarem Eisen in Phosphorsäure enthaltendem wässrigem Medium unter intensivem Durchmischen durch, vorzugsweise unter Rühren. Hierfür können alle auf dem Gebiet bekannten Mischer und Rührer, die für einen solchen Verwendungszweck geeignet sind, eingesetzt werden. Es können auch mit Vorteil Leitstrahlmischer, Homogenisatoren, Flußreaktionszellen etc. zur Durchmischung und/oder Bewegung des Reaktionsansatzes verwendet werden.Conveniently, the reaction of the oxidic iron compounds together with elemental iron in aqueous medium containing phosphoric acid is carried out with thorough mixing, preferably with stirring. For this purpose, all known in the art mixers and stirrers, which are suitable for such a purpose can be used. It is also advantageous to use jet mixers, homogenizers, flow reaction cells, etc. for mixing and / or moving the reaction mixture.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens führt man die Umsetzung der oxidischen Eisenverbindungen zusammen mit elementarem Eisen in Phosphorsäure enthaltendem wässrigem Medium für einen Zeitraum von 1 min bis 120 min, vorzugsweise von 5 min bis 60 min, besonders bevorzugt von 20 min bis 40 min durch. Die Umsetzung der Eisenverbindungen zusammen mit elementarem Eisen in Phosphorsäure enthaltendem wässrigem Medium kann selbstverständlich zu jedem Zeitpunkt durch Abtrennen der Feststoffe von der wässrigen Lösung abgebrochen werden, wobei man bei unvollständiger Umsetzung unter Umständen einen Ausbeuteverlust hat.In a further embodiment of the process according to the invention, the reaction of the oxidic iron compounds together with elemental iron in aqueous medium containing phosphoric acid is carried out for a period of from 1 minute to 120 minutes, preferably from 5 minutes to 60 minutes, more preferably from 20 minutes to 40 minutes , The reaction of the iron compounds together with elemental iron in phosphoric acid-containing aqueous medium can of course be stopped at any time by separating the solids from the aqueous solution, which may have a yield loss in incomplete reaction.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren beträgt die Konzentration der Phosphorsäure in dem wässrigen Medium geeigneterweise 5% bis 85%, vorzugsweise 10% bis 40%, besonders bevor- zugt 15% bis 30%, bezogen auf das Gewicht der wässrigen Lösung. Niedrige Phosphorsäurekonzentrationen sind wirtschaftlich von Vorteil, wobei die Reaktion bei zu geringen Konzentrationen sehr langsam ablaufen kann, was unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten auch unerwünscht sein kann. Bei hohen Phosphorsäurekonzentrationen, wie beispielsweise über 35%, kann es je nach Feinheit der eingesetzten oxidischen Eisenverbindungen zu deren Verklumpung kommen, was die Dauer der oben beschriebenen Komproportionierungsreaktion zwischen Fe3+ und elementarem Eisen beträchtlich erhöht. Es wurde auch ein Einfluss der Phosphorsäurekonzentration auf die Feinheit des Endprodukts beobachtet. So führt eine niedrigere Phosphorsäurekonzentration eher zu einem feineren Endprodukt mit einer mittleren Teilchengröße D50 < 35 μm, wogegen eine höhere Phosphorsäurekonzentration eher die Herstellung eines gröberen Endprodukts mit einer mittleren Teilchengröße D50 > 35 μm fördert. Die Phosphorsäurekonzentration kann für den Fällungschritt nach der Komproportionierungsreaktion zwischen Fe3+ und elementarem Eisen eingestellt werden, indem konzentrierte Phosphorsäure oder Wasser zugesetzt oder enthaltenes Wasser durch Verdampfen entfernt wird. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Feinheit des Endprodukts Eisen(lll)orthophosphat unabhängig von den zur Herstellung der Fe2+-Lösung eingesetzten Rohstoffmengen zu steuern.In the method according to the invention, the concentration of phosphoric acid in the aqueous medium is suitably 5% to 85%, preferably 10% to 40%, more preferably 15% to 30%, based on the weight of the aqueous solution. Low phosphoric acid concentrations are economically advantageous, the reaction can proceed very slowly at too low a concentration, which may also be undesirable from an economic point of view. At high phosphoric acid concentrations, such as over 35%, depending on the fineness of the oxidic iron compounds used, their clumping can occur, which considerably increases the duration of the above-described comproportionation reaction between Fe 3+ and elemental iron. It also became an influence of phosphoric acid concentration observed on the fineness of the final product. Thus, a lower concentration of phosphoric acid tends to result in a finer final product having a mean particle size D50 <35 microns, whereas a higher phosphoric acid concentration tends to promote the production of a coarser end product having an average particle size D50> 35 microns. The phosphoric acid concentration can be adjusted for the precipitation step after the co-proportioning reaction between Fe 3+ and elemental iron by adding concentrated phosphoric acid or water, or removing contained water by evaporation. This makes it possible to control the fineness of the final product iron (III) orthophosphate independently of the amounts of raw material used to produce the Fe 2+ solution.
In einer Nebenreaktion zwischen dem elementaren Eisen und der Phosphorsäure entsteht nach der folgenden Reaktionsgleichung (II) Wasserstoffgas, das aus Sicherheitsgründen gezielt abgeführt werden muss.In a side reaction between the elemental iron and the phosphoric acid, hydrogen gas is produced according to the following reaction equation (II), which must be deliberately removed for safety reasons.
(II) Fe + H3PO4 ^ Fe2+ + HPO4 2" + H2 (II) Fe + H 3 PO 4 Fe 2+ + HPO 4 2 " + H 2
Diese Nebenreaktion lässt sich nicht unterdrücken, so dass stets ein stöchiometrischer Über- schuss an elementarem Eisen gegenüber der Menge eingesetzt werden muss, die gemäß der oben angegebenen Reaktionsgleichung (I) zur Umsetzung von Fe3+ im oxidischen Eisenrohstoff benötigt wird. Die exakte Menge dieses Überschusses hängt weitgehend von den Reaktionsbedingungen ab, wie der Feinheit bzw. Oberflächenaktivität der eingesetzten Feststoffe, der Temperatur und der Säurekonzentration. Ein Überschuss von wenigen Prozent der stöchiometrischen Menge hat sich in vielen Fällen als ausreichend erwiesen. Bei Temperaturen oberhalb von 400C wurde ein Anstieg der Geschwindigkeit der Nebenreaktion beobachtet. Oberhalb von 70° C kann eine gleichzeitige Fällung von Eisenorthophosphat einsetzen, so dass man keine homogene Fe2+-Lösung erhält. Kommt es zu der bereits oben genannten Verklumpung der oxidischen Eisenkomponente, reagiert das elementare Eisen weitgehend über die Nebenreaktion ab. Die entsprechenden Stöchiometrien sind daher an die jeweils gewählten Reaktionsbedingungen sowie an die Reaktivität der eingesetzten Rohstoffe anzupassen.This side reaction can not be suppressed, so that a stoichiometric excess of elemental iron must always be used in comparison with the amount required for the reaction of Fe 3+ in the oxidic iron raw material in accordance with reaction equation (I) given above. The exact amount of this excess largely depends on the reaction conditions, such as the fineness or surface activity of the solids used, the temperature and the acid concentration. An excess of a few percent of the stoichiometric amount has proven sufficient in many cases. At temperatures above 40 0 C, an increase in the rate of side reaction was observed. Above 70 ° C, a simultaneous precipitation of iron orthophosphate can be used so that no homogeneous Fe 2+ solution is obtained. If it comes to the above-mentioned clumping of the oxidic iron component, the elemental iron reacts largely on the side reaction. The corresponding stoichiometries are therefore to be adapted to the particular reaction conditions chosen and to the reactivity of the raw materials used.
Nach dem Lösen des Eisen(ll) aus dem oxidischen Ausgangsmaterial und dem Umsetzen des Eisen(lll) und des elementaren Eisens durch Komproportionierung zu Eisen(ll) wird nach der oben beschriebenen Entfernung gegebenenfalls vorhandener Verunreinigungen die Beheizung der Reaktion abgebrochen bzw. die Temperatur auf zweckmäßigerweise etwa 85 bis 1000C be- grenzt und Oxidationsmittel zugesetzt, bis im Wesentlichen der gesamte Anteil an Eisen(ll) zu Eisen(lll) oxidiert wurde und sich kein Eisen(ll) mehr nachweisen lässt bzw. eine vorgegebene Eisen(ll)-Konzentration unterschritten ist. Unter diesen Bedingungen fällt Eisen(lll)orthophosphat als beigeweißer bis leicht rosa gefärbter Feststoff aus. Der vorgenannte Temperaturbereich von etwa 85 bis 1000C ist für die Oxidations- und Fällungsstufe erfindungsgemäß bevorzugt, jedoch sind andere Temperaturbereich nicht ausgeschlossen. Das Produkt kann durch Filtration oder andere gängige Verfahren als Feststoff abgetrennt werden. Durch Trocknung bei verschiedenen Trocknungsintensitäten lassen sich verschiedene Produkte der allgemeinen Formel FePO4 x nH2O erhalten (n < 2,5) erhalten.After dissolving the iron (II) from the oxidic starting material and reacting the iron (III) and the elemental iron by Komproportionierung to iron (II) after the removal of any impurities described above, the heating of the reaction stops or the temperature on expediently limited to about 85 to 100 0 C and added oxidizing agent until essentially the entire proportion of iron (II) was oxidized to iron (III) and no more iron (II) can be detected or a given Iron (II) concentration is below. Under these conditions, iron (III) orthophosphate precipitates as a off-white to slightly pink colored solid. The aforesaid temperature range of about 85 to 100 ° C. is preferred according to the invention for the oxidation and precipitation stage, but other temperature ranges are not excluded. The product may be separated by filtration or other common procedures as a solid. Drying at different drying intensities makes it possible to obtain various products of the general formula FePO 4 .xH 2 O (n <2.5).
Durch Einstellen der Säurekonzentration bereits zu Beginn während des Lösungsprozesses oder aber auch erst später kurz vor oder während des Oxidationsprozesses kann die Morphologie des Produktes gesteuert werden. Ein Produkt mit hoher Schüttdichte wird erhalten, wenn man die Fällung bei einer Säurekonzentration von 23-25% durchführt. Bei höheren und geringeren Konzentrationen werden Produkte mit geringen Schüttdichten erhalten.By adjusting the acid concentration already at the beginning of the dissolution process, or later just before or during the oxidation process, the morphology of the product can be controlled. A high bulk density product is obtained by performing the precipitation at an acid concentration of 23-25%. At higher and lower concentrations, products with low bulk densities are obtained.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Oxidationsmit- tel, welches zugegeben wird, um Eisen(ll) in der Lösung zu oxidieren, eine wässrige Lösung von Wasserstoffperoxid (H2O2). Die Wasserstoffperoxidlösung hat bevorzugt eine Konzentration von 15 bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 30 bis 40 Gew.-%.In a preferred embodiment of the process according to the invention, the oxidizing agent which is added to oxidise iron (II) in the solution is an aqueous solution of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). The hydrogen peroxide solution preferably has a concentration of 15 to 50 wt .-%, particularly preferably 30 to 40 wt .-%.
In alternativen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Oxidationsmittel, welches zugegeben wird, um Eisen(ll) in der Lösung zu oxidieren, ein unter Luft, reinem Sauerstoff oder Ozon ausgewähltes gasförmiges Medium, welches in die wässrige Lösung eingeblasen wird.In alternative embodiments of the process of the invention, the oxidizing agent added to oxidize iron (II) in the solution is a gaseous medium selected from air, pure oxygen or ozone, which is injected into the aqueous solution.
Die Oxidation durch Zugabe eines geeigneten Oxidationsmittels wird vorzugsweise unmittelbar nach dem Abtrennen der Feststoffe von der phosphorsauren wässrigen Fe2+-Lösung durchgeführt. Bei der Oxidationsreaktion kann die Temperatur des Reaktionsgemisches bei der zuvor für die Umsetzung der Eisenverbindungen eingestellten Temperatur oder in deren Nähe gehalten werden. Bevorzugt ist ein Temperaturbereich von etwa 85 bis 1000C. Alternativ kann die Oxidati- onsreaktion nach dem Abkühlen der Lösung auf Raumtemperatur oder darunter durchgeführt werden, wodurch die Ausfällung des gebildeten Eisen(lll)orthophosphats aber nicht begünstigt wird . Sowohl die Oxidationsreaktion als auch die Ausfällung des gebildeten Ei- sen(lll)orthophosphats laufen bei erhöhter Temperatur in der Regel leichter und schneller ab, weshalb die Durchführung dieser Stufe bei moderat erhöhter Temperatur bevorzugt ist. Die Oxidationsreaktion wird durchgeführt, bis in dem Reaktionsgemisch kein bzw. im wesentlichen kein Eisen(ll) mehr nachweisbar ist. Für den Nachweis von Eisen(ll) in der wässrigen Lösung stehen dem Fachmann bekannte Schnelltests (z. B. Teststäbchen oder Teststreifen) zur Verfügung, deren Genauigkeit für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ausreichend ist. Das Abtrennen des Eisen(lll)orthophosphats von der wässrigen Lösung erfolgt vorzugsweise durch Filtration, Sedimentation, Zentrifugieren oder Kombinationen der vorgenannten Trennverfahren. Zweckmäßigerweise wird das aus dem Reaktionsgemisch abgetrennte Eisen(lll)orthophosphat anschließend bei erhöhter Temperatur und/oder unter vermindertem Druck getrocknet. Alternativ kann das Eisen(lll)orthophosphat nach der Abtrennung auch vorteilhaft in feuchter Form als FiI- terkuchen oder Dispersion mit Feststoffgehalten von 1 bis 90 Gew.-%, je nach möglicher oder gewünschter Effizienz des Entwässerungsschrittes, weiterverarbeitet werden.The oxidation by adding a suitable oxidizing agent is preferably carried out immediately after the separation of the solids from the phosphoric acid aqueous Fe 2+ solution. In the oxidation reaction, the temperature of the reaction mixture may be maintained at or near the temperature previously set for the reaction of the iron compounds. Preferably, a temperature range of about 85 to 100 0 C. Alternatively the oxidation may be carried out onsreaktion including after cooling the solution to room temperature or, whereby the precipitation of the iron formed (III) orthophosphate but is not favored. Both the oxidation reaction and the precipitation of the iron (III) orthophosphate formed generally proceed more readily and more rapidly at elevated temperature, which is why it is preferred to carry out this step at a moderately elevated temperature. The oxidation reaction is carried out until no or substantially no more iron (II) is detectable in the reaction mixture. For the detection of iron (II) in the aqueous solution, rapid tests (eg test strips or test strips) known to the person skilled in the art are available whose accuracy is sufficient for the purposes of the present invention. The separation of the iron (III) orthophosphate from the aqueous solution is preferably carried out by filtration, sedimentation, centrifuging or combinations of the aforementioned separation methods. Conveniently, the separated from the reaction mixture iron (III) orthophosphate is then dried at elevated temperature and / or under reduced pressure. Alternatively, the iron (III) orthophosphate after separation can also advantageously be further processed in moist form as filter cake or dispersion with solids contents of 1 to 90% by weight, depending on the possible or desired efficiency of the dewatering step.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Eisen(lll)orthophosphat hat gegenüber anderen bekannten Verfahren neben der erzielbaren hohen Reinheit des Endproduktes auch einige ökologische und ökonomische Vorteile. Die nach der Abtrennung von Ei- sen(lll)orthophosphat zurückbleibende Mutterlauge enthält im wesentlichen keine verunreinigenden Umsetzungsprodukte, wie beispielsweise Sulfate oder Chloride, die bei den bekannten Verfahren nach dem Stand der Technik zurückbleiben, bei denen Eisensulfat oder Eisenchlorid als Ausgangsmaterial eingesetzt werden. Mutterlauge aus dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann daher durch Zugabe konzentrierter Phosphorsäure wieder auf die gewünschte Konzentration eingestellt werden und ist somit vollständig in den Prozeß rückführbar. Dies spart Kosten und vermeidet unerwünschte Abfälle.The process according to the invention for the preparation of iron (III) orthophosphate also has some ecological and economic advantages over other known processes in addition to the achievable high purity of the end product. The mother liquor remaining after the separation of iron (III) orthophosphate contains substantially no contaminating reaction products, such as, for example, sulfates or chlorides, which are left behind in the known prior art processes using iron sulfate or iron chloride as the starting material. Mother liquor from the process according to the present invention can therefore be adjusted again to the desired concentration by adding concentrated phosphoric acid and is thus completely traceable back into the process. This saves costs and avoids unwanted waste.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch Eisen(lll)orthophosphat, das nach dem hierin beschrie- benen erfindungemäßen Verfahren hergestellt ist.The present invention also includes iron (III) orthophosphate prepared according to the process of the invention described herein.
Das erfindungsgemäße Eisen(lll)orthophosphat ist gegenüber dem Stand der Technik nicht nur einfacher und mit weniger Aufwand mit besonders hoher Reinheit herstellbar, es unterscheidet sich auch strukturell und hinsichtlich seiner Zusammensetzung bzw. Verunreinigungen von Ei- sen(lll)orthophosphat, das nach bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik hergestellt wurde. Dazu tragen unter anderem auch die als Ausgangsmaterialien eingesetzten Eisen(ll)-, Eisen(lll)- und gemischten Eisen(ll,lll)-Verbindungen bei, die unter Hydroxiden, Oxiden, Oxidhydroxiden, Oxidhydraten, Carbonaten und Hydroxidcarbonaten ausgewählt sind. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung setzen bekannte Verfahren zur Herstellung von Ei- sen(lll)orthophosphat nach dem Stand der Technik unter anderem Eisensulfat oder sulfathaltige Rohstoffe und/oder nitrathaltige Rohstoffe ein und steuern den Verlauf des pH-Wertes der Reak- tion mit Natronlauge. Die erhaltenen Eisenphosphate enthalten daher hohe Rückstände an Schwefel, überwiegend in der Form von Sulfat, Nitrat und Natrium.The iron (III) orthophosphate according to the invention is not only simpler and less expensive to produce than the prior art, it also differs structurally and in terms of its composition or impurities from iron (III) orthophosphate, according to known art Method was made from the prior art. Among others, the iron (II), iron (III) and mixed iron (II, III) compounds used as starting materials also contribute to this, chosen from hydroxides, oxides, oxide hydroxides, hydrated oxides, carbonates and hydroxide carbonates. In contrast to the present invention, known processes for the preparation of iron (III) orthophosphate according to the prior art employ, inter alia, iron sulphate or sulphate-containing raw materials and / or nitrate-containing raw materials and control the course of the pH of the reaction. tion with caustic soda. The resulting iron phosphates therefore contain high residues of sulfur, predominantly in the form of sulfate, nitrate and sodium.
Ein zu hoher Gehalt an Schwefel, meist als Sulfat vorliegend, und ein zu hoher Gehalt an Nitrat beeinträchtigen die Qualität eines aus dem Eisen(lll)orthophosphat hergestellten LiFePO4-Too high a content of sulfur, usually present as sulphate, and too high a content of nitrate affect the quality of a LiFePO 4 produced from the iron (III) orthophosphate.
Kathodenmaterials für Li-Ionen-Akkumulatoren, da diese Anionen unerwünschte Redox-Cathode material for Li-ion batteries, since these anions contain undesirable redox
Reaktionen eingehen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Ei- sen(lll)orthophosphat daher einen Schwefelgehalt von < 300 ppm, vorzugsweise < 200 ppm, besonders bevorzugt < 100 ppm auf. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfin- düng weist das Eisen(lll)orthophosphat oder einen Nitratgehalt von < 300 ppm, vorzugsweiseReacting. In one embodiment of the present invention, therefore, the iron (III) orthophosphate has a sulfur content of <300 ppm, preferably <200 ppm, more preferably <100 ppm. In a further embodiment of the present invention, the iron (III) orthophosphate or a nitrate content of <300 ppm, preferably
< 200 ppm, besonders bevorzugt < 100 ppm auf.<200 ppm, more preferably <100 ppm.
Natrium- und Kaliumkationen beeinträchtigen ebenfalls die Qualität eines aus dem Ei- sen(lll)orthophosphat hergestellten LiFePθ4-Kathodenmaterials, da sie Lithiumplätze besetzen können. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Eisen(lll)orthophosphat daher einen Gehalt an Natrium und Kalium von jeweils < 300 ppm, vorzugsweise < 200 ppm, besonders bevorzugt < 100 ppm auf.Sodium and potassium cations also affect the quality of an LiFePO 4 cathode material made from the iron (III) orthophosphate since they can occupy lithium sites. In a further embodiment of the invention, the iron (III) orthophosphate therefore has a content of sodium and potassium of <300 ppm, preferably <200 ppm, particularly preferably <100 ppm.
Auch zu hohe Verunreinigungen an Metallen und Übergangsmetallen beeinträchtigen die Qualität eines aus dem Eisen(lll)orthophosphat hergestellten LiFePθ4-Kathodenmaterials. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Eisen(lll)orthophosphat daher einen Gehalt an Metallen und Übergangsmetallen, ausgenommen Eisen, von jeweils < 300 ppm, vorzugsweiseExcessive contamination of metals and transition metals also affect the quality of a LiFePO 4 cathode material made from the iron (III) orthophosphate. In a further embodiment of the invention, the iron (III) orthophosphate therefore has a content of metals and transition metals, with the exception of iron, of in each case <300 ppm, preferably
< 200 ppm, besonders bevorzugt < 100 ppm auf.<200 ppm, more preferably <100 ppm.
Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Produkts, nämlich des erfindungsgemäßen Ei- sen(lll)orthophosphats, werden durch sein Herstellungsverfahren und die zu seiner Herstellung verwendeten Ausgangsmaterialien wesentlich beeinflußt und unterscheiden sich von Ei- sen(lll)orthophosphat nach dem Stand der Technik.The properties of the product according to the invention, namely the iron (III) orthophosphate according to the invention, are substantially influenced by its preparation process and the starting materials used for its preparation and differ from iron (III) orthophosphate according to the prior art.
Eisen(lll)orthophosphate, die nach allgemein bekannten Verfahren aus Eisensulfat oder Eisenchlorid hergestellt werden, weisen auch Unterschiede in der Kristallstruktur auf. Röntgenstruktur- untersuchungen haben gezeigt, dass nach dem Stand der Technik aus Eisensulfat oder Eisenchlorid hergestellte Eisen(lll)orthophosphate überwiegend in der Metastrengit I-Struktur mit geringen Anteilen an Strengit und Metastrengit Il (Phosphosiderit) vorliegen. Demgegenüber wurde bei Röntgenstrukturuntersuchungen an erfindungsgemäß hergestellten Eisen(lll)orthophosphaten festgestellt, dass diese überwiegend in der M etastreng it Il-Struktur (Phosphosiderit) mit sehr geringen oder nicht nachweisbaren Anteilen an Strengit und M etastreng it I vorliegen.Iron (III) orthophosphates prepared by well-known methods from iron sulfate or iron chloride also have differences in crystal structure. X-ray structural investigations have shown that iron (III) orthophosphates prepared from iron sulphate or iron chloride according to the prior art are present predominantly in the metastrite I structure with small amounts of strengite and metastrengite II (phosphosiderite). On the other hand, X-ray structural studies on iron (III) prepared according to the invention revealed orthophosphates found that these are predominantly present in the metastatic it Il structure (phosphosiderite) with very low or undetectable levels of strengite and metastases.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Eisen(lll)orthophosphats liegen daher > 80 Gew.-%, vorzugsweise > 90 Gew.-%, besonders bevorzugt > 95 Gew.-% des Ei- sen(lll)orthophosphats in der M etastreng it II- (Phosphosiderit) Kristallstruktur vor.In one embodiment of the iron (III) orthophosphate according to the invention, therefore,> 80% by weight, preferably> 90% by weight, particularly preferably> 95% by weight, of the iron (III) orthophosphate in the M etastreng II. (Phosphosiderite) crystal structure before.
Das Vorkommen der drei zuvor beschriebenen allotropen Formen von Eisen(lll)orthophosphat (Metastrengit I, M etastreng it Il und Strengit) ist in der Literatur ebenso beschrieben, wie die Schwierigkeit, ein phasenreines System herzustellen (C. Delacourt et al., Chem. Mater. 2003, 15, 5051-5058). Entgegen den in der Literatur geäußerten Vorbehalten haben die Erfinder nun herausgefunden, dass sich mit dem hierein beschriebenen Verfahren das Eisen(lll)phosphat in der Metastrengit Il-Struktur auch in einem allein durch die Phosphorsäure bestimmten pH-Wert- Bereich in bemerkenswert reiner Form darstellen läßt.The occurrence of the three previously described allotropic forms of iron (III) orthophosphate (Metastrengite I, M etastreng it II and Strengit) is described in the literature as well as the difficulty of producing a phase-pure system (C. Delacourt et al., Chem. Mater., 2003, 15, 5051-5058). Contrary to the reservations expressed in the literature, the inventors have now found that with the method described herein, the iron (III) phosphate in the metastrengite II structure is also in a remarkably pure form in a pH range determined solely by the phosphoric acid leaves.
Das erfindungsgemäße Eisen(lll)orthophosphat weist vorzugsweise eine plättchenförmige Morphologie mit Metastrengit Il-Struktur auf. Diese Struktur erlaubt eine gegenüber sphärischen Partikeln erheblich dichtere Packung der Kristallite und Teilchen bei geringerem Ausschlußvolumen. Mit dem erfindungsgemäßen Eisen(lll)orthophosphat sind daher hohe Schüttdichten und Stampf- dichten realisierbar, was für den Einsatz in LiFePCU-Kathodenmaterialien besonders vorteilhaft ist. Eine geringe Dicke der Kristallplättchen gewährleistet beispielsweise eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit bei der Herstellung von LiFePO4 sowie eine höhere Leistung des fertigen Kathodenmaterials, da die Diffusionsstrecken und Diffusionszeiten der Li-Ionen gegenüber herkömmlichem Material deutlich reduziert werden können. Zudem lassen sich schichtartig aufgebaute Ag- gregate/Agglomerate dieses Materials durch gängige Methoden unter Einwirkung von Scherkräften (Turrax, Rührwerkskugelmühle, Ultraschall etc.) leicht in Dispersionen der Primärpartikel ü- berführen.The iron (III) orthophosphate according to the invention preferably has a platelet-shaped morphology with metastrengite II structure. This structure allows a much denser packing of the crystallites and particles with a smaller exclusion volume compared to spherical particles. With the iron (III) orthophosphate according to the invention, high bulk densities and tamped densities can therefore be realized, which is particularly advantageous for use in LiFePCU cathode materials. A small thickness of the platelets ensures, for example, a high reaction rate in the production of LiFePO 4 and a higher performance of the finished cathode material, since the diffusion distances and diffusion times of Li ions compared to conventional material can be significantly reduced. In addition, layered aggregates / agglomerates of this material can easily be converted into dispersions of the primary particles by conventional methods under the action of shearing forces (Turrax, agitator ball mill, ultrasound, etc.).
In einer Ausführungsform der Erfindung liegt das Eisen(lll)orthophosphat in der Form plättchen- förmiger Kristalle vor. Vorzugsweise haben diese Kristalle eine geringe Dicke im Bereich von weniger als 1000 nm, bevorzugt < 500 nm, besonders bevorzugt < 300 nm, ganz besonders bevorzugt < 100 nm. Die Abmessungen der plättchenförmigen Kristalle in den zwei zur Dicke senkrechten Dimensionen liegen bevorzugt im Bereich von 200 bis 2000 nm, besonders bevorzugt 300 bis 900 nm, ganz besonders bevorzugt 400 bis 800 nm. Des weiteren weist das erfindungsgemäße Eisen(lll)orthophosphat in einer bevorzugten Ausführungsform eine Schüttdichte > 400 g/l, vorzugsweise > 700 g/l, besonders bevorzugt > 1000 g/l auf. In einer weiteren Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Eisen(lll)orthophosphat eine Stampfdichte > 600 g/l, vorzugsweise > 750 g/l, besonders bevorzugt > 1100 g/l auf.In one embodiment of the invention, the iron (III) orthophosphate is in the form of platelet-shaped crystals. Preferably, these crystals have a small thickness in the range of less than 1000 nm, preferably <500 nm, more preferably <300 nm, most preferably <100 nm. The dimensions of the platelet-shaped crystals in the two dimensions perpendicular to the thickness are preferably in the range of 200 to 2000 nm, more preferably 300 to 900 nm, most preferably 400 to 800 nm. Furthermore, in a preferred embodiment, the iron (III) orthophosphate according to the invention has a bulk density of> 400 g / l, preferably> 700 g / l, particularly preferably> 1000 g / l. In a further embodiment, the iron (III) orthophosphate according to the invention has a tapped density of> 600 g / l, preferably> 750 g / l, more preferably> 1100 g / l.
Das erfindungsgemäße Eisen(lll)orthophosphat zeigt somit eine sehr feine Primärpartikelgröße und dennoch gleichzeitig eine sehr hohe erreichbare Schüttdichte bzw. eine hohe Stampfdichte. Im Vergleich zum Stand der Technik war dies überraschend. Eisen(lll)orthophosphate, die nach allgemein bekannten Verfahren aus Eisensulfat oder Eisenchlorid hergestellt werden, weisen üblicherweise eine Primärpartikelgröße von > 1 μm auf, wodurch sich auch hohe Schüttdichten von > 1000 g/l realisieren lassen. Stellt man nach diesen bekannten Verfahren aus Eisensulfat oder Eisenchlorid entsprechende Eisen(lll)orthophosphate mit geringeren Primärteilchengrößen im Sub-Mikrometerbereich her, so lassen sich nur geringe Schüttdichten bis 400 g/l erreichen. Die Gründe hierfür liegen vermutlich in der durch die Kristallstruktur beeinflußten Partikelmorpho- logie und der Teilchengrößenverteilung. Die Morphologie von Eisen(lll)phosphaten, die nach allgemein bekannten Verfahren aus Eisensulfat oder Eisenchlorid hergestellt werden, besteht überwiegend aus sphärischen Partikeln, wohingegen das erfindungsgemäße Eisen(lll)ortho- phosphat die zuvor bereits beschriebene Morphologie mit einem hohen Anteil an eckigen, plätt- chenförmigen Kristallen besitzt.The iron (III) orthophosphate according to the invention thus exhibits a very fine primary particle size and, at the same time, a very high attainable bulk density or a high tamped density. This was surprising compared to the prior art. Iron (III) orthophosphates, which are prepared by generally known methods from iron sulfate or iron chloride, usually have a primary particle size of> 1 .mu.m, which also high bulk densities of> 1000 g / l can be realized. If corresponding iron (III) orthophosphates with smaller primary particle sizes in the sub-micron range are prepared according to these known processes from iron sulfate or iron chloride, then only low bulk densities of up to 400 g / l can be achieved. The reasons for this probably lie in the particle morphology influenced by the crystal structure and the particle size distribution. The morphology of iron (III) phosphates, which are prepared by generally known methods from iron sulfate or iron chloride, consists predominantly of spherical particles, whereas the iron (III) orthophosphate according to the invention has the previously described morphology with a high proportion of angular, platy - has chenförmigen crystals.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Ei- sen(lll)orthophosphats zur Herstellung von Li FePCU-Kathodenmaterial fü r Li-Ionen- Akkumulatoren. Die Herstellung eines solchen Kathodenmaterials unter Verwendung von Ei- sen(lll)orthophosphat ist dem Fachmann an sich bekannt, jedoch bietet hier das erfindungsge- mäße Eisen(lll)orthophosphat die oben beschriebenen besonderen Vorteile.The present invention also encompasses the use of the iron (III) orthophosphate according to the invention for the production of Li FePCU cathode material for Li-ion accumulators. The preparation of such a cathode material using iron (III) orthophosphate is known per se to a person skilled in the art, but here the iron (III) orthophosphate according to the invention offers the particular advantages described above.
Des weiteren umfasst die vorliegende Erfindung LiFePCU-Kathodenmaterial für Li-Ionen- Akkumulatoren, hergestellt unter Verwendung von Eisen(lll)orthophosphat, wie es hierin beschrieben und beansprucht ist, sowie Li-Ionen-Akkumulatoren, die ein LiFePCU-Kathodenmaterial der vorgenannten Art umfassen.Further, the present invention encompasses LiFePCU cathode material for Li-ion accumulators made using iron (III) orthophosphate as described and claimed herein, and Li-ion accumulators comprising a LiFePCU cathode material of the aforementioned kind ,
In einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Eisen(lll)orthophosphats als Nahrungsergänzungsmittel und zur Mineralstoffanreicherung von Lebensmitteln, da es lebensmitteltauglich ist und eine sehr hohe Bioverfügbarkeit für den Orga- n ism us bes itzt. M it besonderem Vortei l kom mt hier d as erfi nd u ngsgemä ße Ei- sen(lll)orthophosphat in der Form von wässrigen Dispersionen zur Anwendung. In einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Eisen(lll)orthophosphats als Molluskizid, z.B. bei der Bekämpfung von Schnecken. Ei- sen(lll)orthophosphat ist an sich für seine molluskizide Wirkung bekannt. Es führt zu einem Aus- schleimen der Tiere. Das erfindungsgemäße Eisen(lll)orthophosphat ist aufgrund seiner strukturbedingt hohen Bioverfügbarkeit gegenüber herkömmlich hergestelltem Eisen(lll)phosphat besonders wirksam, so dass zum Erzielen gleicher Wirkung weniger Substanz benötigt wird. Mit besonderem Vorteil kommt hier das erfindungsgemäße Eisen(lll)orthophosphat in der Form von wässrigen Dispersionen zur Anwendung.In a further aspect, the invention also encompasses the use of the iron (III) orthophosphate according to the invention as a food supplement and for the mineral enrichment of foods, since it is suitable for food and has a very high bioavailability for the organism. It is particularly advantageous here to use the iron (III) orthophosphate according to the invention in the form of aqueous dispersions. In a further aspect, the invention also encompasses the use of the iron (III) orthophosphate according to the invention as a molluscicide, for example in the control of snails. Iron (III) orthophosphate is known per se for its molluscicidal activity. It leads to a slime of the animals. The iron (III) orthophosphate according to the invention is particularly effective because of its structurally high bioavailability compared to conventionally prepared iron (III) phosphate, so that less substance is needed to achieve the same effect. The iron (III) orthophosphate according to the invention in the form of aqueous dispersions is used with particular advantage here.
Weitere Vorteile, Merkmale und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beispielen, welche die vorliegende Erfindung erläutern, diese jedoch nicht beschränken sollen. Further advantages, features and embodiments of the present invention will become apparent from the following examples which illustrate but are not intended to limit the present invention.
BeispieleExamples
Beispiel 1example 1
Eine verdünnte Phosphorsäure (18Gew.-%; Dichte = 1 ,146 g/ml bei 200C) wird bei Raumtempe- ratur (RT; 200C) vorgelegt und mit 20g Eisenoxid (Magnetit; FeSU4) versetzt. Der Ansatz wird bei 10.000 UpM für 10 min mit einem Dispergierstab homogenisiert. Anschließend wird die erhaltene Suspension unter Rühren mit 7g Eisenpulver versetzt.A diluted phosphoric acid (18Gew .-%; density = 1, 146 g / ml at 20 0 C) At room temperature (RT; 20 0 C) introduced and mixed with 20 g of iron oxide (magnetite, Fe S U 4) was added. The batch is homogenized at 10,000 rpm for 10 min with a dispersing rod. Subsequently, the resulting suspension is mixed with stirring with 7 g of iron powder.
Es setzt eine exotherme Reaktion ein. Die Temperatur steigt von ca. 200C auf ca. 400C innerhalb von 20 min an. Die Suspension ändert in diesem Zeitraum ihre Farbe von schwarz nach grünbraun, und der Ausgangsstoff geht in Lösung. Anhand kleiner Bläschen in der Suspension ist zu erkennen, dass es zu Gasentwicklung (H2) kommt. Mit einem Blasenzähler wurde die entstandene Gasmenge quantifiziert. Nachdem der Lösevorgang abgeschlossen ist, wird die Lösung filtriert, um Feststoffe von der Lösung abzutrennen. Anschließend wird die Lösung auf 800C erhitzt und mit ca. 55 ml H2O2 (35 Gew.-%) versetzt, um die in der Lösung befindlichen Fe2+-lonen zu Fe3+-lonen zu oxidieren. Als Zersetzungsprodukt von H2O2. entsteht Sauerstoff. Mit Hilfe eines Schnelltests auf Fe2+-lonen (Teststäbchen der Fa. Merck) wird überprüft, ob die Oxidationsreakti- on vollständig ist. Gegebenenfalls wird H2O2 nachdosiert. Anschließend wird die nun rosa gefärbte Lösung bei ca. 85°C gehalten und Eisen(lll)orthophosphat ausgefällt. Das Ausfällen dauert etwa 30 min. Das Endprodukt ist hellrosa und wird nach dem Ausfällen über eine Fritte abgesaugt und mit 400 ml Wasser gewaschen. Je feiner das Material ist, desto länger kann der Absaugvorgang dauern. Das Produkt wird anschließend in einem Trockenschrank für 3h bei 800C getrocknet. Die Ausbeute beträgt mindestens 90%. Das Endprodukt ist ein feines Ei- sen(l 11 )orthophosphat.It uses an exothermic reaction. The temperature rises from about 20 0 C to about 40 0 C within 20 min. The suspension changes its color from black to green-brown over this period, and the starting material goes into solution. Small bubbles in the suspension indicate that gas evolution (H 2 ) occurs. With a bubble counter, the amount of gas produced was quantified. After the dissolution process is complete, the solution is filtered to separate solids from the solution. Subsequently, the solution is heated to 80 0 C and treated with about 55 ml of H 2 O 2 (35 wt .-%) to the Fe in the solution 2+ ions to be oxidized to Fe 3+ ions. As a decomposition product of H 2 O 2 . arises oxygen. A rapid test for Fe 2+ ions (test strips from Merck) is used to check whether the oxidation reaction is complete. If appropriate, H 2 O 2 is replenished. Subsequently, the now pink-colored solution is kept at about 85 ° C and precipitated iron (III) orthophosphate. The failure takes about 30 minutes. The final product is light pink and is filtered off with suction through a frit and washed with 400 ml of water. The finer the material, the longer the suction process can take. The product is then dried in a drying oven for 3 h at 80 0 C. The yield is at least 90%. The final product is a fine iron (11) orthophosphate.
Beispiel 2Example 2
Wie Beispiel 1 , jedoch wird eine etwas höher konzentrierte Phosphorsäure vorgelegt (25Gew.-%; Dichte = 1 ,208 g/ml bei 200C), und nach der Oxidationsreaktion wird das Eisen(lll)orthophosphat bei 1000C ausgefällt. Die Ausbeute beträgt über 90%. Das Endprodukt ist ein im Vergleich zu Beispiel 1 grobes Eisen(lll)orthophosphat.As Example 1, but a slightly higher concentrated phosphoric acid is presented (25 wt .-%, density = 1.208 g / ml at 20 0 C), and after the oxidation reaction, the iron (III) orthophosphate is precipitated at 100 0 C. The yield is over 90%. The final product is a crude iron (III) orthophosphate compared to Example 1.
Beispiel 3Example 3
20 g Fe3θ4 werden in 125 g H2O vorgelegt und mit einem Ultraturrax bei 10000 Upm für 30 min vorbehandelt. Anschließend werden 125g 75%ige Phosphorsäure, weitere 125g H2O und 7g Fe bei RT hinzugegeben. Die Dichte der verdünnten Phosphorsäure in dem Ansatz beträgt 1 ,146 g/ml bei 200C. Es tritt eine leichte Gasentwicklung auf, die über den gesamten Reaktionszeitraum anhält. Innerhalb von 7 min steigt die Temperatur auf 42° C und die Farbe der Suspension ändert sich nach braun. Nach 9 min wird kein weiterer Temperaturanstieg mehr festgestellt und daher das Reaktionsgemisch in einem Ölbad (T=120° C) erwärmt. Nach 70 min liegt eine grüne Lösung vor, die eine sehr geringe Trübung aufweist. Eine weitere Gasentwicklung wird nicht mehr beo- bachtet. Die Trübung wird durch Filtration entfernt und das Filtrat mit 40 ml H2θ2-Lsg (35 Gew.- %) bei 800C versetzt. Es stellt sich eine Farbveränderung über intensiv rot zu hell rosa ein, wobei das Produkt als feiner Feststoff mit hellrosa Farbe ausfällt. Die Ausbeute beträgt 99,8% (71 ,7g).20 g of Fe 3 O 4 are initially charged in 125 g of H 2 O and pretreated with an Ultraturrax at 10,000 rpm for 30 min. Subsequently, 125 g of 75% phosphoric acid, a further 125 g of H 2 O and 7 g of Fe are added at RT. The density of dilute phosphoric acid in the batch is 1.146 g / ml at 20 ° C. There is slight gas evolution over the entire reaction period stops. Within 7 minutes, the temperature rises to 42 ° C and the color of the suspension changes to brown. After 9 minutes no further increase in temperature is detected and therefore the reaction mixture is heated in an oil bath (T = 120 ° C). After 70 minutes there is a green solution which has a very low turbidity. Further gas development is no longer observed. The turbidity is removed by filtration and the filtrate with 40 ml of H 2 θ 2 -Lsg (35% by weight) at 80 0 C added. It turns a color change over intense red to light pink, the product precipitating as a fine solid with light pink color. The yield is 99.8% (71.7 g).
Beispiel 4 20 g Fe3Ü4, 7g Fe, 250g H2O und 125g 75%ige Phosphorsäure werden bei RT zusammengegeben. Die Dichte der verdünnten Phosphorsäure in dem Ansatz beträgt 1 ,146 g/ml bei 200C. Es tritt eine leichte Gasentwicklung auf, die über den gesamten Reaktionszeitraum anhält. Innerhalb von 20 min steigt die Temperatur auf 38° C und die Farbe der Suspension ändert sich nach braun. Nach 30 min wird kein weiterer Temperaturanstieg mehr festgestellt und daher das Reak- tionsgemisch in einem Ölbad (T=120° C) erwärmt. Nach 90 min liegt eine grüne Lösung vor, die eine sehr geringe Trübung aufweist. Eine weitere Gasentwicklung wird nicht mehr beobachtet. Die Trübung wird durch Filtration entfernt und das Filtrat mit 40 ml H2O2-LSg (35 Gew.-%) bei 85°C versetzt. Es stellt sich eine Farbveränderung über intensiv rot zu hell rosa ein, wobei das Produkt als feiner Feststoff mit hellrosa Farbe ausfällt. Die Ausbeute beträgt 83,5% (60,0g).Example 4 20 g of Fe 3+ 4 , 7 g of Fe, 250 g of H 2 O and 125 g of 75% strength phosphoric acid are combined at RT. The density of dilute phosphoric acid in the batch is 1.146 g / ml at 20 ° C. There is slight gas evolution which persists throughout the reaction period. Within 20 minutes, the temperature rises to 38 ° C and the color of the suspension changes to brown. After 30 minutes no further increase in temperature is detected and therefore the reaction mixture is heated in an oil bath (T = 120 ° C). After 90 minutes there is a green solution which has a very low turbidity. Further gas evolution is no longer observed. The turbidity is removed by filtration and the filtrate is mixed with 40 ml of H 2 O 2 -LSg (35 wt .-%) at 85 ° C. It turns a color change over intense red to light pink, the product precipitating as a fine solid with light pink color. The yield is 83.5% (60.0 g).
Beispiel 5Example 5
20 g FeßCU, 7g Fe, 250g H2O und 204g 75%ige Phosphorsäure werden bei RT zusammengegeben. Die Dichte der verdünnten Phosphorsäure in dem Ansatz beträgt 1 ,232 g/ml bei 200C. Es tritt eine leichte Gasentwicklung auf, die über den gesamten Reaktionszeitraum anhält. Innerhalb von 10 min steigt die Temperatur auf 53°C, und die Farbe der Suspension ändert sich nach braun. Es wird sofort mit Hilfe eines Eisbades auf 500C gekühlt. Nach weiteren 40 min bei 500C liegt eine grüne Lösung vor, die eine sehr geringe Trübung aufweist. Eine weitere Gasentwicklung wird nicht mehr beobachtet. Die Trübung wird durch Filtration entfernt und das Filtrat mit 40 ml H2O2-Lsg. (35 Gew.-%) bei 85°C versetzt. Es stellt sich eine Farbveränderung über intensiv rot zu hell rosa ein, wobei das Produkt als grober Feststoff mit hellrosa Farbe ausfällt. Die Ausbeute beträgt 85,8% (61 ,6g). Beispiel 620 g FeßCU, 7g Fe, 250g H 2 O and 204g 75% phosphoric acid are combined at RT. The density of dilute phosphoric acid in the batch is 1.32 g / ml at 20 ° C. There is slight gas evolution which persists throughout the reaction period. Within 10 minutes the temperature rises to 53 ° C and the color of the suspension changes to brown. It is immediately cooled with an ice bath at 50 0 C. After a further 40 min at 50 0 C, a green solution is present, which has a very low turbidity. Further gas evolution is no longer observed. The turbidity is removed by filtration and the filtrate with 40 ml H 2 O 2 solution. (35 wt .-%) at 85 ° C added. It turns a color change over intense red to light pink, the product precipitates as a coarse solid with light pink color. The yield is 85.8% (61, 6g). Example 6
10 g Fe2θ3, 3,2g Fe, 21 1g H2O und 93g 75%ige Phosphorsäure werden bei 500C zusammengegeben. Die Dichte der verdünnten Phosphorsäure in dem Ansatz beträgt 1 ,134 g/ml bei 200C. Es tritt eine leichte Gasentwicklung auf, die über den gesamten Reaktionszeitraum anhält. Nach 157 min bei 500C liegt eine grüne Lösung vor, die eine sehr geringe Trübung aufweist. Eine weitere Gasentwicklung wird nicht mehr beobachtet. Die Trübung wird durch Filtration entfernt und das Filtrat mit 20 ml H2O2-L-Sg. (35 Gew.-%) bei 85°C versetzt. Es stellt sich eine Farbveränderung über intensiv rot zu hell rosa ein, wobei das Produkt als feiner Feststoff mit hellrosa Farbe ausfällt. Die Ausbeute beträgt 30,2g.10 g Fe 2 θ3, 3.2 g of Fe, 21 1g H 2 O and 93g 75% phosphoric acid are added together at 50 0 C. The density of the dilute phosphoric acid in the batch is 1.134 g / ml at 20 ° C. There is slight gas evolution which persists throughout the reaction period. After 157 min at 50 0 C, a green solution is present, which has a very low turbidity. Further gas evolution is no longer observed. The turbidity is removed by filtration and the filtrate with 20 ml H 2 O 2 -L-Sg. (35 wt .-%) at 85 ° C added. It turns a color change over intense red to light pink, the product precipitating as a fine solid with light pink color. The yield is 30.2 g.
Beispiel 7Example 7
10 g Fe2Ü3, 11g Fe, 379g H2O und 168g 75%ige Phosphorsäure werden bei RT zusammengegeben. Die Dichte der verdünnten Phosphorsäure in dem Ansatz beträgt 1 ,134 g/ml bei 200C. Es tritt eine leichte Gasentwicklung auf, die über den gesamten Reaktionszeitraum anhält. Es wird auf 63°C erwärmt und nach 120 min eine grüne Lösung erhalten, die eine sehr geringe Trübung aufweist. Eine weitere Gasentwicklung wird nicht mehr beobachtet. Die Trübung wird durch Filtration entfernt und das Filtrat mit 30 ml H2O2-Lsg. (35 Gew.-%) bei 85°C versetzt. Es stellt sich eine Farbveränderung über intensiv rot zu hell rosa ein, wobei das Produkt als feiner Feststoff mit hellrosa Farbe ausfällt. Die Ausbeute beträgt 58,0g.10 g of Fe 2 O 3, 11 g of Fe, 379 g of H 2 O and 168 g of 75% strength phosphoric acid are combined at RT. The density of the dilute phosphoric acid in the batch is 1.134 g / ml at 20 ° C. There is slight gas evolution which persists throughout the reaction period. It is heated to 63 ° C and after 120 min a green solution obtained, which has a very low turbidity. Further gas evolution is no longer observed. The turbidity is removed by filtration and the filtrate with 30 ml H 2 O 2 solution. (35 wt .-%) at 85 ° C added. It turns a color change over intense red to light pink, the product precipitating as a fine solid with light pink color. The yield is 58g.
Figurenbeschreibungfigure description
Figur 1 a zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines nach einem bekannten Verfahren gemäß dem Stand der Technik aus Fe(II)SO4 mit Phosphorsäure hergestellten Ei- sen(lll)orthophosphats mit Metastrengit I-Kristallstruktur.FIG. 1 a shows a scanning electron micrograph of an iron (III) orthophosphate having a metastrengite I crystal structure prepared from a known process according to the prior art from Fe (II) SO 4 with phosphoric acid.
Figur 1b zeigt ein XRD-Spektrum im Winkelbereich von 5° bis 70° 2Theta des Ei- sen(lll)orthophosphats aus Figur 1a.FIG. 1b shows an XRD spectrum in the angular range of 5 ° to 70 ° 2 theta of the iron (III) orthophosphate from FIG. 1a.
Figur 2a zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von erfindungsgemäßem Ei- sen(lll)orthophosphat, hergestellt gemäß Beispiel 1 , das überwiegend in der Metastrengit I I- Kristallstruktur vorliegt.FIG. 2 a shows a scanning electron micrograph of iron (III) orthophosphate according to the invention, prepared according to Example 1, which is present predominantly in the metasthere I 1 crystal structure.
Figur 2b zeigt ein XRD-Spektrum im Winkelbereich von 10° bis 25° 2Theta des Ei- sen(lll)orthophosphats aus Figur 2a. FIG. 2b shows an XRD spectrum in the angular range of 10 ° to 25 ° 2 theta of the iron (III) orthophosphate from FIG. 2a.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Verfahren zur Herstellung von Eisen(lll)orthophosphat der allgemeinen Formel FePO4 x nH2O (n < 2,5), bei dem man a) eine Fe2+-lonen enthaltende wässrige Lösung herstellt, indem man oxidische Ei- sen(ll)-, Eisen(lll)- oder gemischte Eisen(ll,lll)-Verbindungen, ausgewählt unter Hydroxiden, Oxiden, Oxidhydroxiden, Oxidhydraten, Carbonaten und Hydroxid- carbonaten, zusammen mit elementarem Eisen in ein Phosphorsäure enthaltendes wässriges Medium einbringt und Fe2+-lonen in Lösung bringt und Fe3+ mit e- lementarem Fe (in einer Komproportionierungsreaktion) zu Fe2+ umsetzt, b) Feststoffe von der phosphorsauren wässrigen Fe2+-Lösung abtrennt, c) zu der phosphorsauren wässrigen Fe2+-Lösung ein Oxidationsmittel zugibt, um Eisen(ll) in der Lösung zu oxidieren, und Eisen(lll)orthophosphat der allgemeinen Formel FePO4 x nH2O ausfällt.1. A process for the preparation of iron (III) orthophosphate of the general formula FePO 4 · nH 2 O (n <2.5), in which a) an aqueous solution containing Fe 2+ ions is prepared by oxidizing an oxide (II) -, iron (III) - or mixed iron (II, III) compounds selected from hydroxides, oxides, oxide hydroxides, oxide hydrates, carbonates and hydroxide carbonates, together with elemental iron in an aqueous medium containing phosphoric acid and Fe Dissolving 2+ ions and reacting Fe 3+ with ele- mentary Fe (in a comproportionation reaction) to Fe 2+ , b) separating solids from the aqueous phosphoric Fe 2+ solution, c) to the aqueous phosphoric Fe 2+ An oxidizing agent is added to oxidize iron (II) in the solution, and iron (III) orthophosphate of the general formula FePO 4 x nH 2 O precipitates.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass man der phosphorsauren wässrigen Lösung Fällungsreagenzien zugibt, um Feststoffe aus der Lösung auszufällen und von der phosphorsauren wässrigen Fe2+-Lösung abzutrennen, und/oder dass man in der phosphorsauren wässrigen Lösung gelöste Metalle elektrolytische aus der Lösung abscheidet.2. The method according to claim 1, characterized in that the phosphoric acid aqueous solution precipitating agents added to precipitate solids from the solution and separate from the phosphoric acid aqueous Fe 2+ solution, and / or that in the phosphoric acid aqueous solution dissolved metals electrolytic separates from the solution.
3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Umsetzung der oxidischen Eisenverbindungen zusammen mit elementarem Eisen in Phosphorsäure enthaltendem wässrigem Medium (Stufe a) bei einer Temperatur im Bereich von 15°C bis 900C, vorzugsweise im Bereich von 200C bis 75°C, besonders bevorzugt im Bereich von 25°C bis 65°C, und/oder unter intensivem Durchmischen durchführt.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the reaction of the oxidic iron compounds together with elemental iron in phosphoric acid-containing aqueous medium (stage a) at a temperature in the range of 15 ° C to 90 0 C, preferably in the range of 20 0 C to 75 ° C, more preferably in the range of 25 ° C to 65 ° C, and / or performs intensive mixing.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Umsetzung der oxidischen Eisenverbindungen zusammen mit elementarem Eisen in Phosphorsäure enthaltendem wässrigem Medium (Stufe a) für einen Zeitraum von 1 min bis 120 min, vorzugsweise von 5 min bis 60 min, besonders bevorzugt von 20 min bis 40 min durchführt. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the reaction of the oxidic iron compounds together with elemental iron in phosphoric acid-containing aqueous medium (stage a) for a period of 1 min to 120 min, preferably from 5 min to 60 min, more preferably from 20 minutes to 40 minutes.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Phosphorsäure in dem wässrigen Medium 5% bis 85%, vorzugsweise 10% bis 40%, besonders bevorzugt 15% bis 30% beträgt, bezogen auf das Gewicht der wässrigen Lösung.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the concentration of phosphoric acid in the aqueous medium is 5% to 85%, preferably 10% to 40%, particularly preferably 15% to 30%, based on the weight of the aqueous solution ,
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittel, welches zugegeben wird, um Eisen(ll) in der Lösung zu oxidieren, eine wässrige Lösung von Wasserstoffperoxid (H2O2) ist, bevorzugt mit einer Konzentration von 15 bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 30 bis 40 Gew.-%.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the oxidizing agent which is added to oxidize iron (II) in the solution is an aqueous solution of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), preferably with a concentration of 15 to 50 wt .-%, particularly preferably 30 to 40 wt .-%.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittel, welches zugegeben wird, um Eisen(ll) in der Lösung zu oxidieren, ein unter Luft, reinem Sauerstoff oder Ozon ausgewähltes gasförmiges Medium ist, welches in die wässrige Lösung eingeblasen wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the oxidizing agent, which is added to oxidize iron (II) in the solution, is a selected under air, pure oxygen or ozone gaseous medium which is blown into the aqueous solution becomes.
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eisen(lll)orthophosphat nach dem Ausfällen von der wässrigen Lösung abgetrennt und vorzugsweise nach dem Abtrennen bei erhöhter Temperatur und/oder unter vermindertem Druck getrocknet wird, oder dass das Eisen(lll)orthophosphat nach dem Ausfällen als eine wässrige Dispersion mit einem Feststoffgehalt von 1 bis 90 Gew.-% bereitgestellt wird.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the iron (III) orthophosphate is separated after precipitation of the aqueous solution and preferably after separation at elevated temperature and / or dried under reduced pressure, or that the iron (lll ) orthophosphate after precipitation is provided as an aqueous dispersion having a solids content of 1 to 90% by weight.
9. Eisen(lll)orthophosphat, hergestellt nach einem der vorangegangenen Ansprüche.9. iron (III) orthophosphate prepared according to any one of the preceding claims.
10. Eisen(lll)orthophosphat, nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass > 80 Gew.-%, vorzugsweise > 90 Gew.-%, besonders bevorzugt > 95 Gew.-% des Ei- sen(lll)orthophosphats in der Metastrengit II- (Phosphosiderit-) Kristallstruktur vorliegen.10. iron (III) orthophosphate, according to claim 9, characterized in that> 80 wt .-%, preferably> 90 wt .-%, particularly preferably> 95 wt .-% of iron (III) orthophosphats in the Metastrengit II (phosphosiderite) crystal structure.
11. Eisen(lll)orthophosphat nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest in einer Dimension eine mittlere Primärteilchengröße < 1 μm, vorzugsweise < 500nm, besonders bevorzugt < 300nm, ganz besonders bevorzugt < 100nm besitzt. 11. iron (III) orthophosphate according to any one of claims 9 or 10, characterized in that it has at least in one dimension an average primary particle size <1 micron, preferably <500 nm, more preferably <300 nm, most preferably <100 nm.
12. Eisen(lll)orthophosphat nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass es eine Schüttdichte > 400 g/l, vorzugsweise > 700 g/l, besonders bevorzugt > 1000 g/l und/oder eine Stampfdichte > 600 g/l, vorzugsweise > 750 g/l, besonders bevorzugt > 1100 g/l aufweist.12. iron (III) orthophosphate according to any one of claims 9 to 11, characterized in that it has a bulk density> 400 g / l, preferably> 700 g / l, more preferably> 1000 g / l and / or a tamped density> 600 g / l, preferably> 750 g / l, more preferably> 1100 g / l.
13. Eisen(lll)orthophosphat nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Gehalt an Natrium und Kalium von jeweils < 300 ppm, vorzugsweise < 200 ppm, besonders bevorzugt < 100 ppm aufweist und/oder dass es einen Schwefelgehalt von < 300 ppm, vorzugsweise < 200 ppm, besonders be- vorzugt < 100 ppm aufweist und/oder dass es einen Nitratgehalt von < 300 ppm, vorzugsweise < 200 ppm, besonders bevorzugt < 100 ppm aufweist und/oder dass es einen Gehalt an Metallen und Übergangsmetallen, ausgenommen Eisen, von jeweils < 300 ppm, vorzugsweise < 200 ppm, besonders bevorzugt < 100 ppm aufweist.13. iron (III) orthophosphate according to one of claims 9 to 12, characterized in that it has a content of sodium and potassium of <300 ppm, preferably <200 ppm, more preferably <100 ppm and / or that it has a sulfur content of <300 ppm, preferably <200 ppm, particularly preferably <100 ppm, and / or that it has a nitrate content of <300 ppm, preferably <200 ppm, more preferably <100 ppm, and / or that it has a content of metals and transition metals, except iron, each <300 ppm, preferably <200 ppm, more preferably <100 ppm.
14. Verwendung von Eisen(lll)orthophosphat nach einem der vorangegangenen Ansprüche zur Herstellung von LiFePCU-Kathodenmaterial für Li-Ionen-Akkumulatoren.14. Use of iron (III) orthophosphate according to any one of the preceding claims for the production of LiFePCU cathode material for Li-ion batteries.
15. LiFePCU-Kathodenmaterial für Li-Ionen-Akkumulatoren, hergestellt unter Verwendung von Eisen(lll)orthophosphat nach einem der vorangegangenen Ansprüche.15. LiFePCU cathode material for Li-ion accumulators, prepared using iron (III) orthophosphate according to any one of the preceding claims.
16. Li-Ionen-Akkumulator, umfassend ein LiFePCU-Kathodenmaterial nach Anspruch 15. 16. A Li-ion secondary battery comprising a LiFePCU cathode material according to claim 15.
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